D類音頻前置運算放大器的噪聲分析與設計

D類音頻功率放大器中，前置運算放大器是一個比較重要的模塊，它位於整個拓撲結構中的前面，完成輸入信號源的加工處理，或者實現放大增益的設置，或者實現阻抗變換的目的，使其和後面功率放大級的輸入靈敏度相匹配；前置放大器獲得並穩定輸入音頻信號，並確保差動信號，設計時需要儘量減小其等效輸入的閃爍噪聲及熱噪聲，降低輸出電阻，增加其PSRR、CMRR、SNR、頻帶寬度、轉換效率等參數。

　　一般來說，雙極電晶體的閃爍噪聲具有較低的轉角頻率(閃爍噪聲和熱噪聲的交叉點)，低於MOS電晶體的閃爍噪聲，在音頻等低頻的設計系統中，應用雙極電晶體的設計有利於降低噪聲，然而在混合信號電路的設計中，襯底噪聲對雙極電晶體就有很大的影響，所以在混合信號電路設計中，更多的使用MOS電晶體，因此這裡提到的運放就採用CMOS工藝完成了相應的設計。

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　　1 音頻功放中前置運算放大器的功能

　　如圖1所示，D類音頻功率放大器主要由以下幾個模塊組成：前置運算放大器、調製級、偏置、控制級、驅動級及輸出功率管級(BTL)；前置運算放大器位於整個結構的最初端，本設計中，要求前置運放有正常工作模式(play)及噪聲抑制工作模式(mute)兩種工作模式，在正常工作模式下，運放接收信號源，正常工作，後面各級完成相應調製及信號的再生；在噪聲抑制工作模式下，運放停止接收輸入信號源，差分輸出端各被鉗制在固定的電壓下，其它模塊正常工作，BTL輸出端為相同的輸出方波，在負載上，看不到信號的再生重現，此時處於靜音狀態，使用靜噪狀態的主要作用是抑制開關機時候的爆裂(pop)噪聲，其實現的電路內部結構如圖2所示。

　　

　　

　　2 前置運算放大器的噪聲特性

　　運算放大器電路中存在5種噪聲源：散粒噪聲(Shot Noise)、熱噪聲(Thermal Noise)、閃爍噪聲(Flicker Noise)、爆裂噪聲(Burst Noise)、雪崩噪聲(Avalanche Noise)，對於CMOS工藝，散粒噪聲、爆裂噪聲和雪崩噪聲在運算放大器電路中通常沒有太大影響，即使有，也能夠消除，在噪聲分析中可以不予考慮。

　　

　　2.1 噪聲模型

　　電阻的噪聲主要是熱噪聲。該噪聲可以等效為一個理想的無噪聲電阻串連一個電壓源，或並聯一個電流源作為它的噪聲模型，其等效的噪聲電流及電壓分別為：

　　運算放大器製造商提供的噪聲指標，通常是指在運算放大器輸入端測試的噪聲，包括熱噪聲及閃爍噪聲。而運算放大器內部的噪聲通過內部等效來描述，運算放大器內部可視為一個理想的無噪聲運算放大器(Noisless OpAmp)，通過在理想無噪聲運算放大器的同相輸入端串聯一個噪聲電壓源，同相、反相輸人端到地分別串聯一個噪聲電流源，來表徵內部噪聲，對於單管NMOS或者PMOS，它們的等效噪聲電流及噪聲電壓分別為：

　　上面各式及下面提到的公式中，K為Boltzmann常數，T是熱力學溫度，gm為電晶體的跨導。k是MOS電晶體閃爍噪聲係數，W，L分別為MOS電晶體的有效柵寬度和長度，Cox是單位面積的柵氧化層電容。

　　2.2 前置運算放大器的噪聲分析

　　音頻功率放大器中的前置運放，其噪聲模型可以如圖4所示，R1、R2是輸入電阻，R3、R4是反饋電阻，R3和R4為可調電阻，用於設置其整個功放的增益，e1、e2、e3、e4分別為4個電阻的熱噪聲電壓，4個電阻對輸入的噪聲影響電壓分別為：

　　

　　其前置運算放大器的噪聲為電阻噪聲與其運放內部噪聲的總和，下面就分析運放內部噪聲。

　　

　　2.3 全差分運放的內部噪聲分析

　　我們知道，噪聲設計的關鍵是輸入級的低噪聲設計，因此在大多數運放設計的時候，第一級的關鍵不是增益的設計，因為這一級的噪聲大小直接決定了整個運放的噪聲特性。PMOS管比NMOS管的噪聲係數低，利於減小其輸入噪聲電壓，因此輸入級常採用：PMOS管差分輸入結構。圖5就是運放輸入級的噪聲分析圖，輸入管為PMOS。

　　

　　差分管的源極接到同一點上，那麼電流源負載的噪聲就是相關噪聲源，其等效到Mp1和Mp2上的噪聲由於差動的作用就可以相互抵消，從而減小了電路的噪聲。Mp1、Mp2為輸入差分對管。另外，對於Mn3管，噪聲電壓對輸入的影響也可以忽略。