基于降低放大器噪声峰化来提高SNR

许多放大器在接近单位增益交越频率时，其电压噪声谱密度(NSD)会提高。这种噪声峰化现象可能导致电路噪声比预期高出39%。在单位增益电路（有时也称为缓冲器或电压跟随器应用）中，噪声峰化尤其麻烦。

当散粒噪声大于放大器的本底噪声时，就会发生峰化现象。这种行为可能扩展到交越频率之外的数个倍频程，影响到的频率远超过大多数制造商的数据手册显示的频率。大部分教科书未探讨此问题。我们一般也不会注意这个问题，除非碰到噪声似乎过大的低噪声、低增益电路。

图1所示的放大器设置为单位增益缓冲器，-3dB带宽为16MHz，100kHz时的本底噪声为16nV/√Hz。请注意，噪声密度在大约2MHz时开始提 高。更糟糕的是，-3dB噪声带宽约为30MHz。理论计算规定，总噪声等于本底噪声乘以噪声带宽（对于单极点滚降，它是-3dB带宽的π/2倍）的平方 根。结果显示，总噪声为80µVrms。但如果实际将NSD对整个带宽积分，则得到111µVrms，比理论值高出39%。

图1 单位增益配置的放大器频率响应的滚降符合预期
(红色)。电压噪声谱密度曲线显示噪声峰化(黑色)

不幸的是，这一误差量还算是好的，许多放大器比这糟糕得多。笔者看到过峰值比本底噪声高10倍的案例。多数放大器的峰值比本底噪声高出50%到200%。

噪声峰化分为两类。第一类称为固有噪声峰化，由特定运算放大器的设计决定。一旦电路选定某一运算放大器，固有噪声峰化就是固定值。第二类称为稳定性噪声峰化，受放大器在电路中的使用方式影响。

稳定性噪声峰化现象存在于所有反馈结构中，包括基准电压源和稳压器的输出缓冲器。普通的放大器可能具有很高的本底噪声，以至于掩盖了任何固有噪声峰化。高性能、低噪声放大器具有足够低的频带噪声，您可以观察到噪声峰化的影响。

在大多数放大器的设计中，噪声性能主要由输入级决定。放大器中的所有晶体管都会贡献噪声，但通过应用负反馈可降低其噪声。噪声源之前的任何增益都会降低该噪 声源贡献给放大器的噪声。在大多数频率下，除输入级之外的所有其它晶体管前方都有大量增益。很多的精力和相当一部分电流都被用来使输入级实现放大器要求的 噪声性能。在较低频率时，这种方法很有效。但在较高频率（大约为放大器的单位增益交越频率）时，则没有增益用来抑制放大器内部晶体管产生的噪声。任何达到 输出端且幅度大于放大器噪底的噪声，都将是总噪声的主要部分。具体以哪些晶体管为主取决于每个放大器的设计。

稳定性噪声峰化受反馈环路稳 定性的控制。前面说过，大多数晶体管产生的噪声会受到放大器负反馈的抑制。随着相位裕量降低，此反馈将不再为负。接近单位增益交越频率的信号更多地是以与 输入信号同相的方式反馈，这导致闭环响应在交越频率附近峰化。这种引起信号发生频率峰化的机制也会导致噪声发生频率峰化。

应避免使反馈环路变得不稳定，否则会对噪声性能产生有害影响。有些工程师会在运算放大器输出端放置一个电容用以“滤除”噪声，虽然出于好意，但这实际上会使噪声变得更严重，因为容性负载会增加反馈环路的相移（图2）。

图2 增加负载电容会降低相位裕量并提高噪声峰化

当 增加放大器输出端的负载电容时，噪声峰化变得更大。此图的对数刻度掩盖了实际情况的真实严重性。输出端的总噪声等于噪声频谱密度对整个带宽的积分。从 2MHz到16MHz的带宽远大于从DC到2MHz的带宽，这意味着噪声完全由噪声峰值决定，与热噪底无关。为比较这些结果，假设系统其余部分已将 -3dB带宽限制在16MHz（25MHz噪声带宽）。对于8pF、220pF和470pF的CL，总积分噪声分别等于95µVrms、110µVrms 和115µVrms。

对缓冲器的输出端进行滤波的正确方式是在输出端放置一个RC滤波器（图3）。电阻使得高频时的放大器负载呈现阻性，避免增加反馈环路的相移。对于具有阻性负载的缓冲器，这种技术会降低其精度。

图3 使用串联电阻电容网络以适当地滤除噪声

本例假设应用需要缓冲器的全部16MHz带宽。滤波器的极点频率设为大约28MHz。该滤波器使带外噪声大幅降低（图4）。无滤波器的总积分噪声为111µVrms，而有滤波器的总噪声为84µVrms。这说明噪声降低25%，而信号带宽不受影响。

图4 利用RC滤波改善整个频率范围内的噪声频谱密度

当 RC滤波器限制放大器的信号带宽时，可以获得更好的性能。这种情况下，滤波器设置信号的-3dB带宽和放大器的噪声带宽。在本底噪声开始峰化之前设置此滤 波器频率时，噪声结果最低；对于AD823，该频率约为2MHz。在这些条件下，可以接近本底噪声乘以1.57*f-3dB的理论限值。用户须确定，为了 改善电路的噪声性能，牺牲放大器的相当一部分带宽是否合适。

讨论至此，读者可能会奇怪，为什么放大器数据手册要标榜与放大器总噪声毫无关 系的1/f噪声和热噪声性能？答案是有关系，但仅在较高增益配置下。在增益配置下使用运算放大器时，结果会很好。环路稳定性提高，使得相移引起的噪声峰化 被降低至微不足道的水平。固有噪声峰值仍然存在，但与热噪底相比已变得无足轻重（图5）。这是因为固有噪声源直接馈入放大器的输出端，而不会经过任何放 大。因此，无论放大器如何设置，固有噪声均保持相对稳定。

图5 AD823输出NSD与频率的关系

本底热噪声则变得非常重要，因为它会被放大器放大。固有噪声峰化在较高增益曲线的滚降区显示为凸点。

噪 声峰化有很多实际的影响需要考虑。首先，在低增益配置中，总噪声以噪声峰化为主。如果这对应用很重要，应预先规划并测试多种放大器。相同噪底的两款不同放 大器，可能具有截然不同的总积分噪声量。其次，应利用无源RC滤波器对输出进行正确滤波。这些滤波器可能对系统总噪声产生严重影响。切勿在放大器输出端 （或输入端）直接添加电容，这只会降低反馈环路的稳定性。最后，设计信号路径时，应将尽可能多的增益放在系统的前面部分。如果可能，这是最佳解决方案，因 为系统的总噪声性能主要由高增益前端放大器决定。