使運算放大器的噪聲性能與ADC相匹配

在混合信號應用中，正確地選擇驅動模數轉換器 (ADC) 的運算放大器至關重要。設計人員必須要對一些問題進行權衡，例如：放大器噪聲、帶寬、設置時間、ADC 信噪比 (SNR) 的壓擺率、無雜散動態范圍 (SFDR)、輸入阻抗以及采樣時間等等。本文專門對單電源環境中噪聲規范和運算放大器以及次逼近寄存器 (SAR) ADC性能的匹配進行了論述。

放大器產生的噪聲源自于輸入差動級。每一個放大器的輸入級都會產生晶體管器件噪聲，其點噪聲曲線圖描述了參考輸入端 (RTI) 噪聲。利用這一圖形信息，通過計算出參考輸出端 (RTO) 放大器噪聲我們就可以確定ADC輸入端產生了多少噪聲。

該討論首先從對放大器器件噪聲的描述開始。隨后，將放大器噪聲源和一個性能系數聯系在一起，同時將一些單位從伏特轉換為以分貝表示的SNR。最終，通過計算出運算放大器SNR值與ADC SNR性能的組合值就可以得出該混合信號電路（請參見圖 1）中運算放大器所產生的影響。

圖1 典型的SAR ADC驅動器電路

放大器噪聲的特點

了解本應用中運算放大器產生的噪聲是非常重要的。放大器的產品說明書中給出的典型性能顯示，運算放大器的過頻率噪聲性能具有明顯的特征（請參見圖 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。這里，我們將只考慮放大器電壓噪聲的影響。

在典型的放大器產品說明書中，放大器噪聲規范為一種RTI規范。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電壓源。運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范（請參見圖 2）。輸入電壓噪聲規范 (10μVPP) 在帶寬方面對放大器的低頻噪聲作了描述。該帶寬是放大器 1/f 噪聲區域的一個組成部分。放大器輸入級中的晶體管以及輸入級有源負載共同產生了這種噪聲。

輸入電壓噪聲密度會引起一個頻率的噪聲系數。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，該規范出現在頻率曲線的寬帶噪聲部分（請參見圖2）。從理論上來講，這種寬帶噪聲是平坦的。假設是這種情況，那么平坦噪聲就是對放大器性能的一種較好的評價。不管是擴散電阻器還是晶體管的源極和漏極，運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