前置运算放大器的噪声分析与设计
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前置运算放大器的噪声分析与设计 黄令华,王新安,刘伟 北京大学 深圳研究生院信息学院，深圳 518055 摘 要：D类音频功率放大器设计系统中，前置运算放大器大多采用全差分设计，为实现较好的THD性能及噪声特性，要求其具有较宽的输入输出电压范围，高SNR，高PSRR，高CMRR。本文运用标准的电路理论和噪声模型，详细分析了运算放大器电路的噪声及应用在D类功放中引起的整体噪声特性，并给出改善放大器噪声性能的设计方法及设计结果。 关键词：前置运算放大器；音频功放；噪声；噪声模型
D类音频功率放大器中，前置运算放大器是一个比较重要的模块，它位于整个拓扑结构中的前面，完成输入信号源的加工处理，或者实现放大增益的设置，或者实现阻抗变换的目的，使其和后面功率放大级的输入灵敏度相匹配；前置放大器获得并稳定输入音频信号，并确保差动信号，设计时需要尽量减小其等效输入的闪烁噪声及热噪声，降低输出电阻，增加其PSRR、CMRR、SNR、频带宽度、转换效率等参数。 一般来说，双极晶体管的闪烁噪声具有较低的转角频率（闪烁噪声和热噪声的交叉点），低于MOS晶体管的闪烁噪声，在音频等低频的设计系统中，应用双极晶体管的设计有利于降低噪声，然而在混合信号电路的设计中，衬底噪声对双极晶体管就有很大的影响，所以在混合信号电路设计中，更多的使用MOS晶体管，因此这里提到的运放就采用CMOS工艺完成了相应的设计。
1 音频功放中前置运算放大器的功能
图 1 D类音频功放的基本模块 如图1所示，D类音频功率放大器主要由以下几个模块组成：前置运算放大器、调制级、偏置、控制级、驱动级及输出功率管级（BTL）；前置运算放大器位于整个结构的最初端，本设计中，要求前置运放有正常工作模式（play）及噪声抑制工作模式（mute）两种工作模式，在正常工作模式下，运放接收信号源，正常工作，后面各级完成相应调制及信号的再生；在噪声抑制工作模式下，运放停止接收输入信号源，差分输出端各被钳制在固定的电压下，其它模块正常工作，BTL输出端为相同的输出方波，在负载上，看不到信号的再生重现，此时处于静音状态，使用静噪状态的主要作用是抑制开关机时候的爆裂
（pop）噪声，其实现的电路内部结构如图2所示。 图 2 前置运放电路结构图 2 前置运算放大器的噪声特性 运算放大器电路中存在5 种噪声源：散粒噪声(Shot Noise)、热噪声( Thermal Noise)、闪烁噪声( Flicker Noise)、爆裂噪声(Burst Noise)、雪崩噪声(Avalanche Noise)，对于CMOS工艺，散粒噪声、爆裂噪声和雪崩噪声在运算放大器电路中通常没有太大影响，即使有，也能够消除，在噪声分析中可以不予考虑。 2.1 噪声模型
图 3 电阻及运放的噪声模型 电阻的噪声主要是热噪声。该噪声可以等效为一个理想的无噪声电阻串连一个电压源，或并联一个电流源作为它的噪声模型，其等效的噪声电流及电压分别为：
24nkTidfR=∫
(1)
http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛24ekTRdf=∫
(2)
运算放大器制造商提供的噪声指标，通常是指在运算放大器输入端测试的噪声，包括热噪声及闪烁噪声。而运算放大器内部的噪声通过内部等效来描述，运算放大器内部可视为一个理想的无噪声运算放大器(Noisless OpAmp)，通过在理想无噪声运算放大器的同相输入端串联一个噪声电压源，同相、反相输入端到地分别串联一个噪声电流源，来表征内部噪声，对于单管NMOS或者PMOS，它们的等效噪声电流及噪声电压分别为：
22
8(1)[]3mDoxkTgKFIidffCLη+=+∫
(3)
28(1)[]32'eqmoxkTKFedfgfCWLKη+=+∫
(4) 上面各式及下面提到的公式中，K为Boltzmann常数，T是热力学温度，gm为晶体管的跨导。k是MOS晶体管闪烁噪声系数，W，L分别为MOS晶体管的有效栅宽度和长度，Cox是单位面积的栅氧化层电容。 2.2 前置运算放大器的噪声分析
图 4 前置运算放大器的噪声模型 音频功率放大器中的前置运放，其噪声模型可以如图4所示，R1 、R2 是输入电阻， R3 、R4 是反馈电阻，R3和R4为可调电阻，用于设置其整个功放的增益， e1 、e2 、e3 、e4 分别为4个电阻的热噪声电压，4个电阻对输入的噪声影响电压分别为：
221114EekTRdf==∫
(5)
2221
22022
2
/4REeAkTRdfR==∫
(6)
223334EekTRdf==∫
(7)
2223
44042
4
/4REeAkTRdfR==∫
(8)
其中，R1=R3，R2=R4（可调） 其前置运算放大器的噪声为电阻噪声与其运放内部噪声的总和，下面就分析运放内部噪声。 2.3 全差分运放的内部噪声分析 我们知道，噪声设计的关键是输入级的低噪声设计，因此在大多数运放设计的时候，第一级的关键不是增益的设计，因为这一级的噪声大小直接决定了整个运放的噪声特性。PMOS 管比NMOS 管的噪声系数低，利于减小其输入噪声电压，因此输入级常采用PMOS 管差分输入结构。图5就是运放输入级的噪声分析图，输入管为PMOS。
图 5 差分运放内部输入级噪声模型 差分管的源极接到同一点上，那么电流源负载的噪声就是相关噪声源，其等效到Mp1和Mp2上的噪声由于差动的作用就可以相互抵消，从而减小了电路的噪声。Mp1、Mp2 为输入差分对管。另外，对于Mn3管，噪声电压对输入的影响也可以忽略。 因此图5的噪声为：
22222222211223344tomnmnmnmnigegegege=+++
(9)
(9)式中，gm1，gm2，gm3，gm4，gm1=gm2，gm3=gm4。分别为Mp1,Mp2,Mn1,Mn2管子的跨导, 因此可以简化为下式：
22222222211123334tomnmnmnmnigegegege=+++
(10)
噪声电压为： ()2222223
2512341mnnnnn
m
gEeeee
g
⎛⎞=+++⎜⎟
⎝⎠ (11)
晶体管Mp1,Mp2对输入噪声的影响为：
21111
8(1)[]32'nmoxppkTKFedfgfCWLKη+=+∫
(12)
http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛 图8 D类功放中运算放大器电路图23311
8(1)[]32'nmoxnnkTKFedfgfCWLKη+=+∫
(13)
又由：112112mmPWggKIL== (14) 3341
3
2mmNWggKIL==
(15)
得出运算放大器的内部噪声为：
()()2
5
0.52'1''161/'32'ppnnppnppnnnppppssppBLKB
E
ffWLLKB
WKLkT
VHZWW
KKILL
⎛⎞=+⎜⎟
Δ⎝⎠
⎛⎞⎜⎟⎝⎠++
⎛⎞⎡⎤⎛⎞
⎜⎟⎜⎟⎢⎥
⎝⎠⎝⎠⎣⎦
(16)
因此前置运算放大器总的噪声为： 2222212345OArmsEEEEEE=++++
(17)
3 电路设计及物理层设计 由以上噪声特性的分析可以看出，要改善运算放大器的噪声需要选择合适的电阻及合适的MOS管的栅宽长比，本文应用Winbond 0.5μ CMOS典型工艺，对运放噪声进行了分析，如图6和图7，其中L1由图6和图7可以看出，输入管及负载管L越大，噪声特性越好，但由于版图及稳定性的要求，不可能使用过大的L值；通过同样的仿真，对输入的宽长比，我们也可以得到类似的结论；因此，本文的运放选择合适的电阻及输入级和负载管的宽长比，完成了很好
的设计，图8给出了详细电路图，且表1给出了其设计的基本仿真结果。
图 6 输入管L对噪声的影响 图 7 负载管L对噪声的影响
表1 运算放大器的性能参数（CL＝5pF）
电源电压5V静态电流400uA
11.5dB低频增益85dB共模抑制比85dB75dB转换速率30V/us18uV
电源抑制比(1K)
20HZ-20KHZ输入噪声
等效输入噪声（1kHZ)相位阈值67增益裕值
134/nVHz
由表1仿真结果可以看出，运放采用低静态电流
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