如何降低低压放大器设计中的噪声

   电工小二        

根据不同的应用,你可能需要考虑电路中噪声的影响。不幸的是,噪声是一个复杂的问题。在本文中,我将比较两个不同放大器的噪声性能,并通过使用无源滤波来优化噪声性能。为了验证这种方法,我将使用SPICE仿真和噪声计算器。最后,我将介绍反馈电容器和隔离电阻的占位面积,以帮助微调噪声性能。


准备一个100 kHz时50至450 mV的模拟输入信号。使用同相电路,可以以+10 V / V的增益配置将该信号放大到500 mV至4.5 V的范围(图1)。对于此应用,让我们使用TLV6741,它是一种增益带宽为10 MHz的低噪声(1 kHz时为5 nV /√Hz)通用运算放大器(运算放大器)。请记住,选择电阻值时要考虑热噪声性能,这一点很重要。你不想只选择一个低噪声放大器,而要让大电阻的热噪声支配整个噪声性能。


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图1.  TLV6741同相,G = 10 V / V噪声仿真


现在,你可以使用TINA-TI™软件运行SPICE仿真,以观察整体噪声性能(图1),并使用噪声计算器进行计算来确认此结果(图2)。


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图2.  TLV6741同相,G = 10 V / V噪声计算


假设预期的输出电压为4 Vpp,则大约55 µV RMS(或330 µVpp)的模拟输出噪声相对较小。尽管计算出的64 µVRMS噪声可能会低估总噪声,但它与模拟值相似。这种差异可能是由于将宽带噪声的保守值5 nV /√Hz输入到计算器中引起的。在较高的频率下,宽带噪声水平实际上较低。当前的闪烁噪声被认为可以忽略不计,不包括在计算得出的估算值中。


现在让我们考虑相同的电路,但是这次使用LMP7731。LMP7731还是一款低噪声运算放大器,但具有22MHz的更大带宽和2.9nV /√Hz的较低宽带电压噪声。鉴于该器件的电压噪声明显低于TLV6741,你可以期望在相同配置下LMP7731的总输出噪声也将更低。


但是,如图3所示,LMP7731电路的模拟输出噪声电平实际上稍高一些,为63 µV RMS或378 µVpp,这由噪声计算器提供的56.9 µV RMS的值证实。那么,为什么与TLV6741电路相比,低噪声LMP7731电路具有更大的整体输出噪声,即使它们具有相同的配置?请记住,电路的总输出噪声取决于整个频率上的噪声密度。由于TLV6741的带宽低于LMP7731,因此TLV6741的高频噪声贡献不会与LMP7731相同。因此,在这种情况下,TLV6741电路的总体噪声较低。


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图3.  LMP7731同相,G = 10 V / V噪声仿真


为了进一步优化噪声性能,你可以在反馈路径中添加一个滤波器。包括一个与反馈电阻器并联的电容器会降低较高频率下的增益,从而降低输出参考噪声。这样,你可以将低噪声设备的高性能与前面所述的带宽限制降噪技术结合起来。这种反馈电容器方法更常用来削减高增益配置的带宽。


让我们通过添加一个将截止频率设置为500 kHz的反馈电容器来模拟TLV6741和LMP7731电路。图4和图5显示了新电路及其模拟噪声。


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图4.  TLV6741同相,G = 10 V / V,带有反馈电容器噪声仿真


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图5.  LMP7731同相,G = 10 V / V,带有反馈电容器噪声仿真


仿真结果表明,在电路中添加反馈电容器可使TLV6741的总噪声从55 µV RMS(330 µVpp)降至41 µV RMS(246 µVpp)。LMP7731电路的噪声从63 µV RMS(378 µVpp)降至31 µV RMS(186 µVpp)。鉴于这些结果,一个好主意是在布局上留出一个反馈电容器,以降低噪声。如果不需要,可以不占用任何空间。这种方法的主要缺点是电压增益的降低甚至会减小反馈电容器的噪声衰减,甚至可以忽略不计。


对于低增益放大器配置,在放大器的输出端增加一个低通电阻-电容器(RC)滤波器可以是一种更有效的降低噪声的方法。这项技术背后的想法是再次衰减仅有助于产生噪声的较高频率范围,同时继续通过信号频率。在输出端创建一个RC滤波器需要添加两个组件-电阻器和电容器。如果不需要它,可以使电阻短路并使电容器空置。也可以使用这种输出电阻器以一种称为“隔离电阻器”的技术来稳定放大器电路。


由于两个运算放大器的特性不同,你将需要稍微不同的隔离电阻来为两个电路设置相同的截止频率。图6和7分别显示了TLV6741和LMP7731电路-使用具有500kHz截止频率的输出RC滤波器代替反馈电容器-以及其TINA-TI软件噪声仿真结果。请注意,TLV6741的额外噪声降低至35 µV RMS(210 µVpp),LMP7731降低至26 µV RMS(156 µVpp)。所有这些噪声仿真的结果如表1所示,其中总结了不同降噪技术的有效性。


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图6.  TLV6741同相,G = 10 V / V,具有输出RC滤波器噪声仿真


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图7.  LMP7731同相,G = 10 V / V,具有输出RC滤波器噪声仿真


表1.比较TLV6741和LMP7731的噪声性能


如何降低低压放大器设计中的噪声


正如我在本文开头提到的那样,噪声是一个复杂的主题,但是处理噪声很简单。我建议你在设计中包括用于反馈电容器和隔离电阻的封装,以评估噪声性能。如果不需要它们,则可以不装这些组件或使它短路。



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