作者：Bonnie C. Baker，德州儀器 (TI)

關鍵字：模擬電路設計、工業應用、醫療電子、運算放大器、系統設計、工程教育、物理驗證和分析、信號完整性、設計方法

自上市以來，CMOS 單電源放大器就讓全球的單電源系統設計人員受益非淺。影響雙電源放大器總諧波失真加噪聲 (THD+N) 特性的主要因素是輸入噪聲和輸出級交叉失真。單電源放大器的 THD+N 性能源于放大器的輸入和輸出級。然而，輸入級對 THD+N 的影響又讓單電源放大器的這種規范本身復雜化。

有兩種單電源放大器拓撲可以接受電源之間的輸入信號。圖 1a 所示拓撲具有一個互補差動輸入級。在該拓撲中，放大器的輸入位于負軌附近時，PMOS 晶體管為“開”，而 NMOS 晶體管為“關”。當放大器的輸入更接近于正電壓軌時，NMOS 晶體管為“開”，而 PMOS 晶體管為“關”。

圖 1 互補輸入級、單電源放大器：a)。

帶一個正充電泵的單差動對輸入級：b)

這種設計拓撲在共模輸入范圍會存在極大的放大器失調電壓差異。在接地電壓附近的輸入范圍，PMOS 晶體管的失調誤差為主要誤差。在正電源附近的區域，NMOS 晶體管對主導失調誤差。由于放大器的輸入通過這兩個區域之間，因此兩個對均為“開”。較終結果是，輸入失調電壓將在兩個級之間變化。當 PMOS 和 NMOS 均為“開”時，共模電壓區域約為 400 mV。這種交叉失真現象會影響放大器的總諧波失真 (THD)。如果您以一種非反相結構來配置互補輸入放大器，則輸入交叉失真就會影響放大器的 THD+N 性能。例如，在圖 2 中，如果不出現輸入過渡區域，則 THD+N 等于0.0006%。如果 THD+N 測試包括了放大器的輸入交叉失真，則 THD+N 等于 0.004%。您可以利用一種反相結構來避免出現這類放大器交叉失真。

圖 2 一個互補輸入級單電源放大器的 THD+N 性能

另一個主要的 THD+N 影響因素是運算放大器的輸出級。通常，單電源放大器的輸出級有一個 AB 拓撲（請參見圖 1a）。輸出信號做軌至軌掃描時，輸出級顯示出了一種與輸入級交叉失真類似的交叉失真，因為輸出級在晶體管之間切換。一般而言，更高電平的輸出級靜態電流可以降低放大器的 THD。

放大器的輸入噪聲是影響 THD+N 規范的另一個因素。高級別的輸入噪聲和/或高閉環增益都會增加放大器的總 THD+N 水平。

要想優化互補輸入單電源放大器的 THD+N 性能，可將放大器置于一個反相增益結構中，并保持低閉環增益。如果系統要求放大器配置為非反相緩沖器，則選擇一個具有單差動輸入級和充電泵的放大器更為合適。

參考文獻

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http://focus.ti.com.cn/opa350.html 和 http://focus.ti.com.cn/opa363.html。