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前置运算放大器的噪音分析及利用CMOS工艺实现电路设计

2020年07月29日 14:46 次阅读

D类音频功率放大器中,前置运算放大器是一个比较重要的模块,它位于整个拓扑结构中的前面,完成输入信号源的加工处理,或者实现放大增益的设置,或者实现阻抗变换的目的,使其和后面功率放大级的输入灵敏度相匹配;前置放大器获得并稳定输入音频信号,并确保差动信号,设计时需要尽量减小其等效输入的闪烁噪声及热噪声,降低输出电阻,增加其PSRR、CMRR、SNR、频带宽度、转换效率等参数。

一般来说,双极晶体管的闪烁噪声具有较低的转角频率(闪烁噪声和热噪声的交叉点),低于MOS晶体管的闪烁噪声,在音频等低频的设计系统中,应用双极晶体管的设计有利于降低噪声,然而在混合信号电路的设计中,衬底噪声对双极晶体管就有很大的影响,所以在混合信号电路设计中,更多的使用MOS晶体管,因此这里提到的运放就采用CMOS工艺完成了相应的设计。

1 、音频功放中前置运算放大器的功能

如图1所示,D类音频功率放大器主要由以下几个模块组成:前置运算放大器、调制级、偏置、控制级、驱动级及输出功率管级(BTL);前置运算放大器位于整个结构的最初端,本设计中,要求前置运放有正常工作模式(play)及噪声抑制工作模式(mute)两种工作模式,在正常工作模式下,运放接收信号源,正常工作,后面各级完成相应调制及信号的再生;在噪声抑制工作模式下,运放停止接收输入信号源,差分输出端各被钳制在固定的电压下,其它模块正常工作,BTL输出端为相同的输出方波,在负载上,看不到信号的再生重现,此时处于静音状态,使用静噪状态的主要作用是抑制开关机时候的爆裂(pop)噪声,其实现的电路内部结构如图2所示。

前置运算放大器的噪音分析及利用CMOS工艺实现电路设计

2 、前置运算放大器的噪声特性

运算放大器电路中存在5种噪声源:散粒噪声(Shot Noise)、热噪声(Thermal Noise)、闪烁噪声(Flicker Noise)、爆裂噪声(Burst Noise)、雪崩噪声(Avalanche Noise),对于CMOS工艺,散粒噪声、爆裂噪声和雪崩噪声在运算放大器电路中通常没有太大影响,即使有,也能够消除,在噪声分析中可以不予考虑。

2.1 噪声模型

电阻的噪声主要是热噪声。该噪声可以等效为一个理想的无噪声电阻串连一个电压源,或并联一个电流源作为它的噪声模型,其等效的噪声电流及电压分别为:

运算放大器制造商提供的噪声指标,通常是指在运算放大器输入端测试的噪声,包括热噪声及闪烁噪声。而运算放大器内部的噪声通过内部等效来描述,运算放大器内部可视为一个理想的无噪声运算放大器(Noisless OpAmp),通过在理想无噪声运算放大器的同相输入端串联一个噪声电压源,同相、反相输人端到地分别串联一个噪声电流源,来表征内部噪声,对于单管NMOS或者PMOS,它们的等效噪声电流及噪声电压分别为:

上面各式及下面提到的公式中,K为Boltzmann常数,T是热力学温度,gm为晶体管的跨导。k是MOS晶体管闪烁噪声系数,W,L分别为MOS晶体管的有效栅宽度和长度,Cox是单位面积的栅氧化电容

2.2 前置运算放大器的噪声分析

音频功率放大器中的前置运放,其噪声模型可以如图4所示,R1、R2是输入电阻,R3、R4是反馈电阻,R3和R4为可调电阻,用于设置其整个功放的增益,e1、e2、e3、e4分别为4个电阻的热噪声电压,4个电阻对输入的噪声影响电压分别为:

其前置运算放大器的噪声为电阻噪声与其运放内部噪声的总和,下面就分析运放内部噪声。

2.3 全差分运放的内部噪声分析

我们知道,噪声设计的关键是输入级的低噪声设计,因此在大多数运放设计的时候,第一级的关键不是增益的设计,因为这一级的噪声大小直接决定了整个运放的噪声特性。PMOS管比NMOS管的噪声系数低,利于减小其输入噪声电压,因此输入级常采用:PMOS管差分输入结构。图5就是运放输入级的噪声分析图,输入管为PMOS。

差分管的源极接到同一点上,那么电流源负载的噪声就是相关噪声源,其等效到Mp1和Mp2上的噪声由于差动的作用就可以相互抵消,从而减小了电路的噪声。Mp1、Mp2为输入差分对管。另外,对于Mn3管,噪声电压对输入的影响也可以忽略。

因此图5的噪音为:

得出运算放大器的内部噪音为:

3、 电路设计及物理层设计

由以上噪声特性的分析可以看出,要改善运算放大器的噪声需要选择合适的电阻及合适的MOS管的栅宽长比,本文应用Winbond 0.5μ CMOS典型工艺,对运放噪声进行了分析,如图6和图7,其中L1《L2《L3。

由图6和图7可以看出,输入管及负载管L越大,噪声特性越好,但由于版图及稳定性的要求,不可能使用过大的L值;通过同样的仿真,对输入的宽长比,我们也可以得到类似的结论;因此,本文的运放选择合适的电阻及输入级和负载管的宽长比,完成了很好的设计,图8给出了详细电路图,且表1给出了其设计的基本仿真结果。

由表1仿真结果可以看出,运放采用低静态电流设计,实现较低的噪卢特性、较高的电源抑制比,及较快的转换速率等。

图9是前置运算放大器在功率放大器中的完整版图,使用Winbond 0.5μCMOS工艺,此工艺本身对衬底的噪声有一定的抑制,对音频功率放大器的设计提供了很好的前提,上图的3个框分别为外部反馈电阻、运算放大器内部结构及内部调零电阻,并且很好地实现了电阻电容及晶体管的匹配。

4、 结束语

噪声是运算放大器非常重要的参数,它决定了整个系统的灵敏度,本文从噪声这个参数入手,分析了音频放大器中前置运放的噪声特性,给出了改善噪声的方法,并用winbond 0.5μCMOS工艺完成了相关设计。

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