使運(yùn)算放大器的噪聲性能與ADC相匹配

在混合信號(hào)應(yīng)用中，正確地選擇驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的運(yùn)算放大器至關(guān)重要。設(shè)計(jì)人員必須要對(duì)一些問(wèn)題進(jìn)行權(quán)衡，例如：放大器噪聲、帶寬、設(shè)置時(shí)間、ADC 信噪比 (SNR) 的壓擺率、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍 (SFDR)、輸入阻抗以及采樣時(shí)間等等。本文專(zhuān)門(mén)對(duì)單電源環(huán)境中噪聲規(guī)范和運(yùn)算放大器以及次逼近寄存器 (SAR) ADC性能的匹配進(jìn)行了論述。

放大器產(chǎn)生的噪聲源自于輸入差動(dòng)級(jí)。每一個(gè)放大器的輸入級(jí)都會(huì)產(chǎn)生晶體管器件噪聲，其點(diǎn)噪聲曲線(xiàn)圖描述了參考輸入端 (RTI) 噪聲。利用這一圖形信息，通過(guò)計(jì)算出參考輸出端 (RTO) 放大器噪聲我們就可以確定ADC輸入端產(chǎn)生了多少噪聲。

該討論首先從對(duì)放大器器件噪聲的描述開(kāi)始。隨后，將放大器噪聲源和一個(gè)性能系數(shù)聯(lián)系在一起，同時(shí)將一些單位從伏特轉(zhuǎn)換為以分貝表示的SNR。最終，通過(guò)計(jì)算出運(yùn)算放大器SNR值與ADC SNR性能的組合值就可以得出該混合信號(hào)電路（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）中運(yùn)算放大器所產(chǎn)生的影響。

圖1 典型的SAR ADC驅(qū)動(dòng)器電路

放大器噪聲的特點(diǎn)

了解本應(yīng)用中運(yùn)算放大器產(chǎn)生的噪聲是非常重要的。放大器的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給出的典型性能顯示，運(yùn)算放大器的過(guò)頻率噪聲性能具有明顯的特征（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。本文中，由于我們考慮到使用單電源CMOS放大器的一些影響，因此輸入電流噪聲非常低，以至于我們可以將其忽略不計(jì)。這里，我們將只考慮放大器電壓噪聲的影響。

在典型的放大器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中，放大器噪聲規(guī)范為一種RTI規(guī)范。我們可以在放大器的非反相輸入端將放大器噪聲量化為一個(gè)電壓源。運(yùn)算放大器的電氣特征表給出了輸入電壓噪聲和輸入電壓噪聲密度規(guī)范（請(qǐng)參見(jiàn)圖 2）。輸入電壓噪聲規(guī)范 (10μVPP) 在帶寬方面對(duì)放大器的低頻噪聲作了描述。該帶寬是放大器 1/f 噪聲區(qū)域的一個(gè)組成部分。放大器輸入級(jí)中的晶體管以及輸入級(jí)有源負(fù)載共同產(chǎn)生了這種噪聲。

輸入電壓噪聲密度會(huì)引起一個(gè)頻率的噪聲系數(shù)。例如，圖2中的電氣特征表顯示，在10kHz下的輸入電壓噪聲密度 (end) 為。通常，該規(guī)范出現(xiàn)在頻率曲線(xiàn)的寬帶噪聲部分（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）。從理論上來(lái)講，這種寬帶噪聲是平坦的。假設(shè)是這種情況，那么平坦噪聲就是對(duì)放大器性能的一種較好的評(píng)價(jià)。不管是擴(kuò)散電阻器還是晶體管的源極和漏極，運(yùn)算放大器中的電阻器都是主要的寬帶噪聲源。

圖2 OPA363放大器噪聲性能參數(shù)