D类音频前置运算放大器的噪声分析与设计

1、d类音频前置运算放大器的噪声分析与设计d类音频功率中，前置是一个比较重要的模块，它位于囫囵拓扑结构中的前面，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敏捷度相匹配；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耀噪声及热噪声，降低输出，增强其psrr、cmrr、snr、频带宽度、转换效率等参数。普通来说，双极晶体管的闪耀噪声具有较低的转角频率(闪耀噪声和热噪声的交错点)，低于mos晶体管的闪耀噪声，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，然而在混合信号的设计中，衬底噪声对双极晶体

2、管就有很大的影响，所以在混合信号电路设计中，更多的用法mos晶体管，因此这里提到的运放就采纳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1所示，d类音频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囫囵结构的最初端，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

3、不到信号的再生重临，此时处于静音状态，用法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2所示。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)、闪耀噪声(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，也能够消退，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抱负的无噪声电阻串连一个电压源，或

4、并联一个源作为它的噪声模型，其等效的噪声电流及电压分离为：运算放大器创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，包括热噪声及闪耀噪声。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抱负的无噪声运算放大器(noisless opamp)，通过在抱负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、反相输人端到地分离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离为：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晶体管闪耀噪声系数，w，l分离为mos晶体

5、管的有效栅宽度和长度，cox是单位面积的栅氧化层。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，用于设置其囫囵功放的增益，e1、e2、e3、e4分离为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离为：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，由于这一级的噪声大小挺直打算了囫囵运放的噪声特性。pmos管比nmos管的噪

6、声系数低，利于减小其输入噪声电压，因此输入级常采纳：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上的噪声因为差动的作用就可以互相抵消，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视。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，要充实运算放大器的噪声需要挑选合适的电阻及合适的mos管的栅宽长比，本文应用winbond 0.5 cmos典型工艺，对运放噪声举行了分析，6和图7，其中l1l2l3。由图6和图7可以看出，输入

7、管及负载管l越大，噪声特性越好，但因为版图及稳定性的要求，不行能用法过大的l值；通过同样的，对输入的宽长比，我们也可以得到类似的结论；因此，本文的运放挑选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给出了具体，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，运放采纳低静态电流设计，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，用法winbond 0.5cmos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个框分离为外部反馈电阻、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