低增益放大器如何有效降低噪声

以前在TI presisionlabs运放课程中，学到了一个低增益放大器如何有效降低噪声的方法，或者说回授电容Cf什么时候滤波最有效。但是当时一直都没有弄明白原理，反复看过好多次。直到最近在我做的电路里面，有一个一倍、低增益反相放大器，正好想起来了这个降噪的窍门，也终于弄懂了。这里就简单整理下它的原因：我自己搭建电路实际做了仿真，有数据对比。

首先看下结论，低增益放大器中Cf的滤波效果，并没有高增益的好。低增益放大器最有效的滤波是增加外部滤波器，如RC或者有源低通滤波器。从图1中可以了解原理。理解这个结论的重点是，需要记住噪声就是运放噪声谱密度对带宽的积分，也就是求面积。那么带宽的面积越大，则噪声越大。对比高低增益放大器，Cf在低增益时减小面积的比例要远远小于高增益，所以Cf在低增益放大器时滤波器效果很有限。

图1 回授电容在高低增益电路中的带宽对比

下面我们看下仿真数据，通过数据可以更直观的展示低增益放大器如何滤波更有效，参见表1。可知，低增益放大器用Cf滤波效果远没有后级RC滤波效果更好(运放的增益带宽积越大越明显)，高增益时候差距就很小了，所以这时用简单的Cf滤波即可。

增益Cf滤波(uVrms)后级RC滤波(uVrms)

2倍26.14613.597

6倍32.77226.121

表1 不同增益不同滤波方法的效果对比

表1数据的仿真电路参见图2和图3。噪声仿真的注意事项有两个，第一，是先要验证电路是否正常，所以先时域仿真。我这里带宽约为159Khz，所以施加0.2Vpp峰峰值、15KHz的正弦波信号验证电路，结果参见图4，说明电路正常。第二，噪声积分的截止频率至少要高于信号频率的10倍，这样仿真出来的结果才更准确，因为所有滤波器都不是理想的，不是砖墙型的。

图2 通过Cf滤波的仿真电路

图3 通过外置RC滤波器的滤波电路

图4 时域仿真检查电路是否正常

最后我们再开环仿真看看，这样才能知道为何低增益放大器外置滤波器滤波效果更好的原因，参见表2，从中可知，低增益放大器用后级RC滤波方式，Aol曲线与1/β曲线交点频率更低，低到了使用Cf滤波的约1/8，显然这样积分面积更小!仿真电路和结果参见图5和图6。

低增益放大器滤波方式Aol曲线与1/β曲线相交频率

Cf滤波3.98MHz

后级RC滤波585KHz

表2 低增益放大器不同滤波方式的Aol与1/β相交频率

图5 Cf-低增益放大器开环仿真

图6 后级RC-低增益放大器开环仿真

本文整理了低增益放大器使用Cf滤波方式，远没有后级滤波更有效。当然，后级滤波也会有一些其他问题，以图6增加后级RC为例，这样电路的输出阻抗会增大等。实际应用中，低增益放大器即使增加后级滤波器，Cf也要有的，可以小一点比如5pf，或者预留，防止稳定性问题。