運算放大器的噪聲分析與設(shè)計

D類音頻功率放大器中，前置運算放大器是一個比較重要的模塊，它位于整個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的前面，完成輸入信號源的加工處理，或者實現(xiàn)放大增益的設(shè)置，或者實現(xiàn)阻抗變換的目的，使其和后面功率放大級的輸入靈敏度相匹配；前置放大器獲得并穩(wěn)定輸入音頻信號，并確保差動信號，設(shè)計時需要盡量減小其等效輸入的閃爍噪聲及熱噪聲，降低輸出電阻，增加其PSRR、CMRR、SNR、頻帶寬度、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。

一般來說，雙極晶體管的閃爍噪聲具有較低的轉(zhuǎn)角頻率(閃爍噪聲和熱噪聲的交叉點)，低于MOS晶體管的閃爍噪聲，在音頻等低頻的設(shè)計系統(tǒng)中，應(yīng)用雙極晶體管的設(shè)計有利于降低噪聲，然而在混合信號電路的設(shè)計中，襯底噪聲對雙極晶體管就有很大的影響，所以在混合信號電路設(shè)計中，更多的使用MOS晶體管，因此這里提到的運放就采用CMOS工藝完成了相應(yīng)的設(shè)計。

1 音頻功放中前置運算放大器的功能

如圖1所示，D類音頻功率放大器主要由以下幾個模塊組成：前置運算放大器、調(diào)制級、偏置、控制級、驅(qū)動級及輸出功率管級(BTL)；前置運算放大器位于整個結(jié)構(gòu)的最初端，本設(shè)計中，要求前置運放有正常工作模式(play)及噪聲抑制工作模式(mute)兩種工作模式，在正常工作模式下，運放接收信號源，正常工作，后面各級完成相應(yīng)調(diào)制及信號的再生；在噪聲抑制工作模式下，運放停止接收輸入信號源，差分輸出端各被鉗制在固定的電壓下，其它模塊正常工作，BTL輸出端為相同的輸出方波，在負(fù)載上，看不到信號的再生重現(xiàn)，此時處于靜音狀態(tài)，使用靜噪狀態(tài)的主要作用是抑制開關(guān)機時候的爆裂(pop)噪聲，其實現(xiàn)的電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 前置運算放大器的噪聲特性

運算放大器電路中存在5種噪聲源：散粒噪聲(Shot Noise)、熱噪聲(Thermal Noise)、閃爍噪聲(Flicker Noise)、爆裂噪聲(Burst Noise)、雪崩噪聲(Avalanche Noise)，對于CMOS工藝，散粒噪聲、爆裂噪聲和雪崩噪聲在運算放大器電路中通常沒有太大影響，即使有，也能夠消除，在噪聲分析中可以不予考慮。

2.1 噪聲模型

電阻的噪聲主要是熱噪聲。該噪聲可以等效為一個理想的無噪聲電阻串連一個電壓源，或并聯(lián)一個電流源作為它的噪聲模型，其等效的噪聲電流及電壓分別為：

運算放大器制造商提供的噪聲指標(biāo)，通常是指在運算放大器輸入端測試的噪聲，包括熱噪聲及閃爍噪聲。而運算放大器內(nèi)部的噪聲通過內(nèi)部等效來描述，運算放大器內(nèi)部可視為一個理想的無噪聲運算放大器(Noisless OpAmp)，通過在理想無噪聲運算放大器的同相輸入端串聯(lián)一個噪聲電壓源，同相、反相輸人端到地分別串聯(lián)一個噪聲電流源，來表征內(nèi)部噪聲，對于單管NMOS或者PMOS，它們的等效噪聲電流及噪聲電壓分別為：

上面各式及下面提到的公式中，K為Boltzmann常數(shù)，T是熱力學(xué)溫度，gm為晶體管的跨導(dǎo)。k是MOS晶體管閃爍噪聲系數(shù)，W，L分別為MOS晶體管的有效柵寬度和長度，Cox是單位面積的柵氧化層電容。

2.2 前置運算放大器的噪聲分析

音頻功率放大器中的前置運放，其噪聲模型可以如圖4所示，R1、R2是輸入電阻，R3、R4是反饋電阻，R3和R4為可調(diào)電阻，用于設(shè)置其整個功放的增益，e1、e2、e3、e4分別為4個電阻的熱噪聲電壓，4個電阻對輸入的噪聲影響電壓分別為：

其前置運算放大器的噪聲為電阻噪聲與其運放內(nèi)部噪聲的總和，下面就分析運放內(nèi)部噪聲。

2.3 全差分運放的內(nèi)部噪聲分析

我們知道，噪聲設(shè)計的關(guān)鍵是輸入級的低噪聲設(shè)計，因此在大多數(shù)運放設(shè)計的時候，第一級的關(guān)鍵不是增益的設(shè)計，因為這一級的噪聲大小直接決定了整個運放的噪聲特性。PMOS管比NMOS管的噪聲系數(shù)低，利于減小其輸入噪聲電壓，因此輸入級常采用：PMOS管差分輸入結(jié)構(gòu)。圖5就是運放輸入級的噪聲分析圖，輸入管為PMOS。

差分管的源極接到同一點上，那么電流源負(fù)載的噪聲就是相關(guān)噪聲源，其等效到Mp1和Mp2上的噪聲由于差動的作用就可以相互抵消，從而減小了電路的噪聲。Mp1、Mp2為輸入差分對管。另外，對于Mn3管，噪聲電壓對輸入的影響也可以忽略。

3 電路設(shè)計及物理層設(shè)計

由以上噪聲特性的分析可以看出，要改善運算放大器的噪聲需要選擇合適的電阻及合適的MOS管的柵寬長比，本文應(yīng)用Winbond 0.5μ CMOS典型工藝，對運放噪聲進行了分析，如圖6和圖7，其中L1<L2<L3。

由圖6和圖7可以看出，輸入管及負(fù)載管L越大，噪聲特性越好，但由于版圖及穩(wěn)定性的要求，不可能使用過大的L值；通過同樣的仿真，對輸入的寬長比，我們也可以得到類似的結(jié)論；因此，本文的運放選擇合適的電阻及輸入級和負(fù)載管的寬長比，完成了很好的設(shè)計，圖8給出了詳細電路圖，且表1給出了其設(shè)計的基本仿真結(jié)果。

由表1仿真結(jié)果可以看出，運放采用低靜態(tài)電流設(shè)計，實現(xiàn)較低的噪盧特性、較高的電源抑制比，及較快的轉(zhuǎn)換速率等。

圖9是前置運算放大器在功率放大器中的完整版圖，使用Winbond 0.5μCMOS工藝，此工藝本身對襯底的噪聲有一定的抑制，對音頻功率放大器的設(shè)計提供了很好的前提，上圖的3個框分別為外部反饋電阻、運算放大器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部調(diào)零電阻，并且很好地實現(xiàn)了電阻電容及晶體管的匹配。

4 結(jié)束語

噪聲是運算放大器非常重要的參數(shù)，它決定了整個系統(tǒng)的靈敏度，本文從噪聲這個參數(shù)入手，分析了音頻放大器中前置運放的噪聲特性，給出了改善噪聲的方法，并用winbond 0.5μCMOS工藝完成了相關(guān)設(shè)計。