基于BJT的有源降噪電路

魏文臣 劉衛(wèi) 楊波

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

0 引言

實(shí)際電路中，電源往往帶有一定的紋波或噪聲，比如DC/DC轉(zhuǎn)換器的紋波、低頻串?dāng)_、電阻熱噪聲等，穩(wěn)壓塊自身也會產(chǎn)生噪聲，它們往往會影響電路中的其他部分，致使系統(tǒng)的指標(biāo)如相噪、雜散等惡化，因此有必要對電源噪聲或紋波進(jìn)行濾除。

傳統(tǒng)的降噪電路一般采用電感和電容來濾波，電感需要承受所有負(fù)載電流。這樣當(dāng)干擾信號頻率很低時，電感值必須加大，其串聯(lián)電阻也隨之增大，限制了負(fù)載的最大電流，同時也難以對低頻干擾噪聲進(jìn)行較徹底的濾除。

Wenzel公司有文章提出通過反相放大器來濾除電源噪聲[1]，給出了三種電路形式，但是未對電路進(jìn)行具體分析，也未給出具體的設(shè)計公式，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時還要靠工程師不斷的調(diào)試來滿足需要。本文在這里對該三種降噪電路分別進(jìn)行分析，推導(dǎo)出設(shè)計公式，給出設(shè)計實(shí)例.并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 降噪電路工作原理

1.1 單個三極管的降噪電路

第一種電路如圖1所示，輸入的噪聲電流通過三極管集電極流入到地，最終的結(jié)果就是R1上的交流壓降即為穩(wěn)壓塊輸出電壓噪聲，V0點(diǎn)成為交流虛地點(diǎn)。下面對該電路進(jìn)行直流和交流分析，以得出實(shí)用的設(shè)計公式。

電路的直流等效電路如圖2所示。為增大電路的動態(tài)范圍并保證三極管工作在放大狀態(tài)，VCE、I2的選擇應(yīng)保證發(fā)射極和集電極都有適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，可選 VCE＞1V,I2＞5mA。 若 VIN、V0、I2、IL給定，電阻：

圖1 單個三極管的降噪電路

圖2 圖1電路的直流通路

當(dāng) R4＞＞R1時，I2≈IE，R4上的電流相對于集電極電流可忽略不計，電阻：

圖1的交流等效電路如圖3所示。噪聲信號vi被反相放大，噪聲電流i與R2上流經(jīng)的電流構(gòu)成回路，輸出端交流電壓為0。當(dāng)R3足夠大時，其上的交流可忽略，i≈ic。

當(dāng) R3＞＞(R1+R2)時，

VT=26mV?？沙踹x為基電極分壓電阻R3，R4須滿足：

圖3 圖1電路的交流通路

1.2 復(fù)合三極管的降噪電路

對于較大電流的負(fù)載，串聯(lián)電阻R1有必要減小。由公式（3）可以看出，為保證反饋電阻不為負(fù)值，就需要更高的電流增益，為此圖1中的三極管可用達(dá)林頓管代替，將它與NPN管子結(jié)合，電路改變?nèi)鐖D4，R5為分流電阻，用來改善復(fù)合管工作點(diǎn)的熱穩(wěn)定性。

該電路的工作原理與1.1類似。為保證RF上的交流電流與R2上的電流一致，R3、R4＞＞R1、R2。 R1一般很小，R2、RF的計算可參考式（2）、式（3）。對于Q1，選取R5上的直流I5保證三極管Q1工作在放大狀態(tài)。I5遠(yuǎn)大于Q2基極電流。設(shè)Q2發(fā)射極偏壓為VBE2，電阻：

圖4 較高電流負(fù)載能力的復(fù)合管降噪電路

1.3 運(yùn)算放大器－三極管型降噪電路

該電路結(jié)構(gòu)如圖4，采用負(fù)反饋運(yùn)算放大器將噪聲電壓放大數(shù)百倍后加到放大器發(fā)射極電阻RF上。這樣R1兩端的噪聲壓降即為發(fā)射極電阻RF上噪聲壓降的數(shù)百分之一，由于兩者通過的噪聲電流一樣，R1的值即為RF的數(shù)百分之一，從而大大減少了串聯(lián)電阻值，提高了電路負(fù)載能力，在圖4電路中噪聲電壓放大倍數(shù)為(1+R8/R7)倍，電路右半部分交流等效電路如圖6。令(1+R8/R7)為N，有：

設(shè)加在三極管基極的噪聲電壓為vb，

由基爾霍夫電流定律，

圖5 含有運(yùn)放的降噪電路

圖6 圖5右半部分交流通路

由（7）、（8）、（9）可求得發(fā)射極電阻：

RF=N·R1/(1+(R2+N′·R1)/R3)，N′=N(1+rbe/(1+β)·RF)，簡化后：

R2、R3、R4的選取可參照 1.1 節(jié)式（2）、式（4）。 輸入噪聲信號放大倍數(shù)N較大，因此噪聲信號容易失真，產(chǎn)生諧波。因此，直流工作點(diǎn)VCE、I2的選取應(yīng)保證三極管集電極和發(fā)射極處有足夠大的電壓，使電路有較大的動態(tài)范圍。

2 降噪電路設(shè)計

現(xiàn)在我們采用第一種電路形式對某器件供電。器件電壓為3V，電流為27mA?？烧{(diào)穩(wěn)壓塊輸出電壓為5.3V,三極管為SMBT3904N,β=400。IL取為 10mA，VCE取為 1.5V。由 1.1 節(jié)公式求得 R1為 62 歐姆，RF為 59Ω，R2為 91Ω，R3為 10kΩ，R4為 47kΩ。以峰峰值為 20mV 頻率為10kHz的干擾信號為例，借助ADS軟件對降噪電路進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)射極電阻為56.5Ω時，電路的濾除效果最好。取標(biāo)準(zhǔn)值56Ω歐，輸出干擾信號峰峰值為0.16mV，即10kHz處噪聲抑制有42dB。

第二種形式的電路串聯(lián)電阻值比較小，可承受較大的電流。設(shè)電源輸出12V，降噪電路輸出電壓為11.5V，電流為0.5A。我們選擇I5為5mA，IL為 100mA，R4為 10kΩ。 據(jù) 1.2 小節(jié)所述求得 R1為 1 歐姆，R2為 47Ω，R3為 56kΩ，R5為 3kΩ，RF為 0.8Ω。 設(shè)輸入噪聲信號峰峰值20mV，頻率10kHz，借助ADS軟件建立仿真模型，優(yōu)化后RF為0.96Ω，各節(jié)點(diǎn)電壓電流值如圖 9，輸出信號峰峰值 0.044mV，如圖 14，噪聲抑制53dB。從圖14也可以看出噪聲抑制程度對RF很敏感，因此可采用精密的可調(diào)電阻進(jìn)行微調(diào)。

圖7 三極管降噪電路仿真模型

圖8 不同發(fā)射極電阻對應(yīng)的輸出噪聲(V～Ω)

圖9 復(fù)合三極管降噪電路模型

現(xiàn)在設(shè)計第三種形式的降噪電路。輸入電壓為15V，噪聲信號頻率為10kHz,峰峰值為2mV。依照1.3節(jié)所述,假設(shè)無負(fù)載，選擇VCE為9V，IEQ為 30mA，計算得出 R3＝20kΩ，R4＝33kΩ。 其他元件值及仿真模型、各節(jié)點(diǎn)電壓電流值見圖10。對電阻RF掃描的結(jié)果如圖11。最優(yōu)值為14.6Ω，可通過精密可調(diào)電阻得到，理論輸出噪聲信號峰峰值＜9uV。即該電路對10kHz處噪聲抑制達(dá)47dB。

圖10 運(yùn)放－三極管降噪電路仿真模型

對不同負(fù)載電流情況下電路降噪性能進(jìn)行仿真，輸出噪聲峰峰值僅變化了50nV,如圖12，表明負(fù)載電流從0A到10A變化時，電路的降噪性能幾乎沒有惡化，同時由于串聯(lián)電阻很小，負(fù)載電流為10A時電壓只降低了0.5V。

對降噪電路對1kHz－100kHz帶寬噪聲的濾除性能進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)，由于隔直電容值對低頻信號呈現(xiàn)的阻抗，在5kHz以下，降噪性能略有變差；5kHz以上隨著噪聲頻率的升高，電路的降噪性能也隨之減弱，在100kHz處，噪聲抑制大約27dB,如圖13所示。

圖11 不同發(fā)射極電阻對應(yīng)的輸出噪聲(V～Ω)

圖12 不同負(fù)載電流對輸出噪聲的影響（V～A）

圖13 電路對不同頻率噪聲的抑制（dB～kHz）

圖14 圖9中發(fā)射極電阻對輸出噪聲影響(V～Ω)

3 結(jié)論

分析表明，根據(jù)文中歸納的設(shè)計公式設(shè)計的三種電路對電源噪聲以及較小紋波均有很好的濾除作用，理論值均大于40dB,表明了設(shè)計方法的科學(xué)合理性。得出的電路可用于DC/DC變換器、開關(guān)器型穩(wěn)壓塊輸出紋波、電源噪聲或干擾信號的濾除，保護(hù)其他電路不受電源噪聲或干擾的影響，因而有著廣泛的實(shí)用價值。分析還表明電路對電源噪聲的抑制程度對發(fā)射級電阻值較敏感，設(shè)計時需要加以注意。

［1］Wenzel Associates,Inc,Finess Voltage Regulator Noise[Z].

［2］康華光,等,編.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].5 版.高等教育出版社,2011.