使运算放大器的噪声性能与ADC相匹配

在混合信号应用中，正确地选择驱动模数转换器 (ADC) 的运算放大器至关重要。设计人员必须要对一些问题进行权衡，例如：放大器噪声、带宽、设置时间、ADC 信噪比 (SNR) 的压摆率、无杂散动态范围 (SFDR)、输入阻抗以及采样时间等等。本文专门对单电源环境中噪声规范和运算放大器以及次逼近寄存器 (SAR) ADC性能的匹配进行了论述。

放大器产生的噪声源自于输入差动级。每一个放大器的输入级都会产生晶体管器件噪声，其点噪声曲线图描述了参考输入端 (RTI) 噪声。利用这一图形信息，通过计算出参考输出端 (RTO) 放大器噪声我们就可以确定ADC输入端产生了多少噪声。

该讨论首先从对放大器器件噪声的描述开始。随后，将放大器噪声源和一个性能系数联系在一起，同时将一些单位从伏特转换为以分贝表示的SNR。最终，通过计算出运算放大器SNR值与ADC SNR性能的组合值就可以得出该混合信号电路（请参见图 1）中运算放大器所产生的影响。

图1 典型的SAR ADC驱动器电路

放大器噪声的特点

了解本应用中运算放大器产生的噪声是非常重要的。放大器的产品说明书中给出的典型性能显示，运算放大器的过频率噪声性能具有明显的特征（请参见图 2）。本文中，由于我们考虑到使用单电源CMOS放大器的一些影响，因此输入电流噪声非常低，以至于我们可以将其忽略不计。这里，我们将只考虑放大器电压噪声的影响。

在典型的放大器产品说明书中，放大器噪声规范为一种RTI规范。我们可以在放大器的非反相输入端将放大器噪声量化为一个电压源。运算放大器的电气特征表给出了输入电压噪声和输入电压噪声密度规范（请参见图 2）。输入电压噪声规范 (10μVPP) 在带宽方面对放大器的低频噪声作了描述。该带宽是放大器 1/f 噪声区域的一个组成部分。放大器输入级中的晶体管以及输入级有源负载共同产生了这种噪声。

输入电压噪声密度会引起一个频率的噪声系数。例如，图2中的电气特征表显示，在10kHz下的输入电压噪声密度 (end) 为。通常，该规范出现在频率曲线的宽带噪声部分（请参见图2）。从理论上来讲，这种宽带噪声是平坦的。假设是这种情况，那么平坦噪声就是对放大器性能的一种较好的评价。不管是扩散电阻器还是晶体管的源极和漏极，运算放大器中的电阻器都是主要的宽带噪声源。

图2 OPA363放大器噪声性能参数