如何优化差分放大器噪声

信号增益和噪声增益对于放大器电路设计都很重要。信号增益显然很重要，因为我们希望准确控制信号幅度。噪声增益也很重要，尽管它不会直接影响信号幅度，因为它会影响放大器稳定性和环路增益，而这两者都会对信号质量产生影响。因此，能够计算特定电路的噪声增益和信号增益非常重要。获得这些数字后，我们可以使用数据表指南来优化我们的电路。

让我们快速回顾一下全差分放大器的信号增益，两个输入都是反相输入；没有同相输入，因此我们的信号增益为，当我们构建电路板时，我们将 RF 物理焊接到电路板上，因此我们知道 RF 的值 - 或者我们知道吗？根据特定的放大器和电路板设计，我们可能需要考虑额外的电阻。TI 的LMH5401全差分放大器具有额外的 25 Ω在放大器输出和放大器封装上的反馈连接引脚之间的芯片上。由于该放大器只有 3mm x 3mm，而且反馈连接引脚与放大器输入引脚直接相邻，因此不可能有任何可测量的电路板电阻。但是，我们应该考虑任何长度超过 1cm 的电路板走线可能是额外电阻的来源。因此，如果我们使用的是LMH5401，则需要在片上电阻中添加板载反馈电阻。

图 1：信号增益为 1，噪声增益为 2 的电路

如图 1 所示，信号增益等于 但是当我运行 TINA-TI TM仿真时，我没有得到预期的 0dB 增益。LMH5401有两个 10 Ω电阻，每个输出引脚上各一个。将这些电阻器添加到等式中可以为我们提供  或 -1.6 dB，与 TINA-TI 仿真匹配。

TINA-TI 仿真还显示了其他一些情况：频率响应上的增益达到峰值，表明可能存在不稳定性。数据表指出，“对于LMH5401，NG > 3 可创建一个稳定的电路，与信号增益的设置方式无关。” 图1中电路的噪声增益是多少？在图 1 所示的电路中，噪声增益： 因此，根据数据表，该电路不稳定。请注意，输出电阻器上的电阻损耗不包括在噪声增益中，即使它们确实会导致信号路径中的损耗。

图 2：图 1 所示电路的频率响应

出于好奇，让我们运行一个 TINA-TI 仿真，看看噪声是什么样的。

图 3：图 1 所示电路的噪声响应

请注意图 3 中的噪声幅度峰值。这种不稳定性也出现在噪声响应中。数据表指出LMH5401 的输入电压噪声为1.25nV /rtHz。如果噪声增益确实为 2，我们会看到放大器输出噪声约为 2.5nV/rtHz。结果非常接近。仿真中的额外噪声是由于电流噪声以及电路中的电阻器造成的。所以噪声增益确实是2。

我还应该指出，额外的高频噪声（以 4GHz 为中心）不是由于噪声增益，而是由于相位裕度的损失。随着相位裕度减小，反馈电路开始显着增加增益，因为反馈从负反馈转变为正反馈。

数据表为我们提供了增加噪声增益（而不是信号增益）以使放大器稳定的选项。图 4 显示了实现此目的的一种简单方法。

图 4：信号增益为 1，噪声增益为 6 的电路

在图1 中，噪声增益为 虽然图 4 仅多了一个组件，但如果我们将 R6 想象为两个各为 50 Ω的电阻器，连接到 0V 的理想（无噪声）电压源，则更容易计算噪声增益。在这种情况下，R6 的一半与 RG 并联，因此噪声增益现在为 5 的噪声增益有效，但数据表指定噪声增益为 3 作为最低要求。为了减少输出噪声量，让我们使用数据表中的最小噪声增益 3。这需要 R6 值为

图 5：图 4 所示电路的噪声响应，噪声增益为 6

图 6：噪声增益为 3 的电路的噪声响应

图 5 中的曲线显示噪声增益确实增加了（等于 6V/V），并且噪声响应没有峰值。图 6 显示该放大器在 3V/V 的噪声增益下也很稳定，并且噪声水平低于图 5 所示的水平，但在非常高的频率下除外。

我希望我已经展示了如何独立操纵信号增益和噪声增益以优化电路性能。我们可以在哪些应用中应用这些方法？