正确选择低噪声放大器(LNA)

1、正确选择低噪声放大器（LNA）该应用笔记检验了影响放大器噪声的关键参数,说明不同放大器设计 （双极型、JFET输入或CMOS输入设计）对噪声的影响。本文还阐述 了如何选择一款适合低频模拟应用（如数据转换器缓冲、应变仪信号 放大和麦克风前置放大器）的低噪声放大器。基于CMOS输入放大器, MAX4475,举例说明多数低频模拟应用中这种新型CMOS放大器的 设计优势。目前，有关低噪声放大器的讨论常常关注于旦巳无线应用，但实际应 用中，噪声对于低频模拟产品（如数据转换器缓冲、应变仪信号放大 和麦克风前置放大器）也有很大影响，是一项重要的考虑因素。为了 选择一款合适的放大器，设计工程师必须首先了解放大

2、器是否拥有低 噪声特性和相关的噪声参数。另外，还要了解不同类型放大器（双极 型、JFET输入或CMOS输入）的噪声参数差异。噪声参数尽管影响放大器噪声性能的参数有很多，但最重要的两个参数是：电 压噪声和电流噪声。电压噪声是指在没有它噪声干扰的情况下，放大 器输入短路时出现在输入端的电压波动。电流噪声是指在没有其它噪 声干扰的情况下，放大器输入开路时岀现在输入端的电流波动。描述放大器噪声的典型指标是噪声密度，也称作点噪声。电压噪声密 度单位为nVH乙电流噪声密度通常表示为pAHZo在低噪声放大 器数据资料中可以找到这些参数，而且，一般给出两种频率下的数值:一个是低于200Hz的闪烁噪声；另一个是

3、在IkHZ通带内的噪声。简 单起见，这些测量值以放大器输入端为参考，不需要考虑放大器增益。图1所示为电压噪声密度与频率的对应关系曲线。噪声曲线与两个主 要的噪声成份有关：闪烁噪声和散粒噪声。闪烁噪声是所有线性器件 固有的随机噪声，也称作1/f噪声，因为噪声振幅与频率成反比。闪 烁噪声通常是频率低于200Hz时的主要噪声源，如图1所示。1/f角 频率是指噪声大小基本相同、不受频率变化影响的起始频率。散粒噪 声是流过正向偏置Pn结的电流波动所造成的白噪声，也出现在该频 段。值得注意的是：电压噪声的1/f角频率与电流噪声的1/f角频率可 能会不同。Al 一 sa3s-N UJ9g InPUt Eff

4、eCtiVe SerieS ReSiStanCe en = InPUt Voltage-Noise DenSity at the FreqUeflCy Of IntereSt in = InPirt CUrrenl-NcIse Density at the Frequency Qf InlerelSt T = Ambient TemPeratUnB i KelVink = 128x 10*23 JcK (BdltZmar COrtSUrtt).赦大电路的輝阴筑决定占圭导地谊的裁声类型擦阻抗升拓时J电海瞪声为主要棗蔥图2.放大电路的源阻抗决定占主导地位的噪声类型，源阻抗升高时, 电流噪声为主要来

5、源。计算总噪声特定频率下运算放大器总输入噪声的标准表达式为：Q= JCii 十（RP 十 RM）蓝十 4kT（Rp十 /?”）其中：R尸反相输入等效串联电阻RP=同相输入等效串联电阻e=特定频率下输入电压噪声密度i*特定频率下输入电流噪声密度T=以开尔文（OK）为单位的绝对温度k=1.38x W23 JoK （波尔兹曼常数）。公式1是指定频率下噪声与带宽对应关系。为计算总噪声，用et（以 nVHz为单位）乘以带宽的平方根即可。例如，如果放大器的带宽范 围为IooHZ至IkH乙 那么，下式就是整个带宽范围内的总噪声：上述例子给出了电压噪声和电流噪声在整个带宽范围内固定时，总噪 声的计算公式（适用

6、于放大器电路带宽的较低频率值大于运算放大器 的电压噪声和电路噪声1/f频率的情况）。如果电压噪声和电流噪声在 整个带宽范围内是变化的，那么总噪声的计算公式要更复杂。根据公式1和图2可很容易地看出电路源阻抗对噪声的影响。源阻抗 较低的系统，电压噪声是主要的噪声来源；源阻抗增大时，电阻噪声 占主导地位，甚至可以忽略放大器的电压噪声。源阻抗继续增大时， 电流噪声成为噪声的主要因素。放大器设计对噪声性能的影响噪声性能是放大器设计的一个考虑因素，三种常见的低噪声放大器分 别为：双极型、JFET输入和CMOS输入。尽管每种设计都能提供低 噪声特性，但其性能不同。双极型放大器新型CMOS输入低噪声放大器能够

7、提供与双极型设计相当的电压噪 声指标OCMOS输入放大器的电流噪声与最好的JFET输入设计相当, 甚至优于JFET输入放大器。例如，MAX4475具有低输入电压噪声 密度(4.5nV)和低输入电流噪声密度(0.5fA),单电源供电时可提供超 低失真(0.0002% THDN)o这些特性使得CMOS输入放大器成为低 失真、低噪声应用(如音频前置放大器)的最佳选择。另外，CMOS输 入放大器允许非常低的输入偏置电流、低失调电压和非常高的输入阻 抗，能够满足源阻抗较高的信号调理，女口：图3所示的光电二极管前 置放大电路。图4所示为用于16位DAC输出的缓冲器。聞.采用CMOS入的低辱声般穴落吕有菲京

8、紜的談宜电虞杲!衣调电压 宓妙期雷加Mjgf肚送些荔件菲累适合矗限 扶较盛I曲光电二极管靜置於次誌)的信号调礎.图3.采用CMOS输入的低噪声放大器具有非常低的偏置电流和失调 电压，以及非常高的输入阻抗。这些器件非常适合源阻抗较高(如光 电二极管前置放大器)的信号调理。图4.低噪声性能和低输入偏置电流使得CMOS输入放大器成为16 位DAC输岀缓冲器的理想选择。结论没有一种放大器能够适合所有应用。表1总结了三种常见放大器设计 的典型噪声参数。我1 放大SS设计中的典/噪声損格IZPUT STAGE MLTAGE ZCHGE CURREZT 2tSE INPUT BIAS ClmRrNTOVERALL PERPORMAzCEBiPOIarX1.8nVHz1.2pAtV8OAGOOdJFET10Vl,y0.5fAYIblpABett