哪里来的噪声？

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作者：Bonnie C. Baker，德州仪器 (TI)
自上市以来，CMOS 单电源放大器就让全球的单电源系统设计人员受益非浅。影响双电源放大器总谐波失真加噪声 (THD+N) 特性的主要因素是输入噪声和输出级交叉失真。单电源放大器的 THD+N 性能源于放大器的输入和输出级。然而，输入级对 THD+N 的影响又让单电源放大器的这种规范本身复杂化。
有两种单电源放大器拓扑可以接受电源之间的输入信号。图 1a 所示拓扑具有一个互补差动输入级。在该拓扑中，放大器的输入位于负轨附近时，PMOS 晶体管为“开”，而 NMOS 晶体管为“关”。当放大器的输入更接近于正电压轨时，NMOS 晶体管为“开”，而 PMOS 晶体管为“关”。

图 1 互补输入级、单电源放大器：a)。
带一个正充电泵的单差动对输入级：b)
这种设计拓扑在共模输入范围会存在极大的放大器失调电压差异。在接地电压附近的输入范围，PMOS 晶体管的失调误差为主要误差。在正电源附近的区域，NMOS 晶体管对主导失调误差。由于放大器的输入通过这两个区域之间，因此两个对均为“开”。最终结果是，输入失调电压将在两个级之间变化。当 PMOS 和 NMOS 均为“开”时，共模电压区域约为 400 mV。这种交叉失真现象会影响放大器的总谐波失真 (THD)。如果您以一种非反相结构来配置互补输入放大器，则输入交叉失真就会影响放大器的 THD+N 性能。例如，在图 2 中，如果不出现输入过渡区域，则 THD+N 等于0.0006%。如果 THD+N 测试包括了放大器的输入交叉失真，则 THD+N 等于 0.004%。您可以利用一种反相结构来避免出现这类放大器交叉失真。

图 2 一个互补输入级单电源放大器的 THD+N 性能
另一个主要的 THD+N 影响因素是运算放大器的输出级。通常，单电源放大器的输出级有一个 AB 拓扑（请参见图 1a）。输出信号做轨至轨扫描时，输出级显示出了一种与输入级交叉失真类似的交叉失真，因为输出级在晶体管之间切换。一般而言，更高电平的输出级静态电流可以降低放大器的 THD。
放大器的输入噪声是影响 THD+N 规范的另一个因素。高级别的输入噪声和/或高闭环增益都会增加放大器的总 THD+N 水平。
要想优化互补输入单电源放大器的 THD+N 性能，可将放大器置于一个反相增益结构中，并保持低闭环增益。如果系统要求放大器配置为非反相缓冲器，则选择一个具有单差动输入级和充电泵的放大器更为合适。