基于BJT的有源降噪電路

魏文臣 劉衛 楊波

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

0 引言

實際電路中，電源往往帶有一定的紋波或噪聲，比如DC/DC轉換器的紋波、低頻串擾、電阻熱噪聲等，穩壓塊自身也會產生噪聲，它們往往會影響電路中的其他部分，致使系統的指標如相噪、雜散等惡化，因此有必要對電源噪聲或紋波進行濾除。

傳統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載電流。這樣當干擾信號頻率很低時，電感值必須加大，其串聯電阻也隨之增大，限制了負載的最大電流，同時也難以對低頻干擾噪聲進行較徹底的濾除。

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，但是未對電路進行具體分析，也未給出具體的設計公式，實際實現時還要靠工程師不斷的調試來滿足需要。本文在這里對該三種降噪電路分別進行分析，推導出設計公式，給出設計實例.并進行了仿真驗證。

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，最終的結果就是R1上的交流壓降即為穩壓塊輸出電壓噪聲，V0點成為交流虛地點。下面對該電路進行直流和交流分析，以得出實用的設計公式。

電路的直流等效電路如圖2所示。為增大電路的動態范圍并保證三極管工作在放大狀態，VCE、I2的選擇應保證發射極和集電極都有適當的直流電壓，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 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上流經的電流構成回路，輸出端交流電壓為0。當R3足夠大時，其上的交流可忽略，i≈ic。

當 R3＞＞(R1+R2)時，

VT=26mV。可初選為基電極分壓電阻R3，R4須滿足：

圖3 圖1電路的交流通路

1.2 復合三極管的降噪電路

對于較大電流的負載，串聯電阻R1有必要減小。由公式（3）可以看出，為保證反饋電阻不為負值，就需要更高的電流增益，為此圖1中的三極管可用達林頓管代替，將它與NPN管子結合，電路改變如圖4，R5為分流電阻，用來改善復合管工作點的熱穩定性。

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。I5遠大于Q2基極電流。設Q2發射極偏壓為VBE2，電阻：

圖4 較高電流負載能力的復合管降噪電路

1.3 運算放大器－三極管型降噪電路

該電路結構如圖4，采用負反饋運算放大器將噪聲電壓放大數百倍后加到放大器發射極電阻RF上。這樣R1兩端的噪聲壓降即為發射極電阻RF上噪聲壓降的數百分之一，由于兩者通過的噪聲電流一樣，R1的值即為RF的數百分之一，從而大大減少了串聯電阻值，提高了電路負載能力，在圖4電路中噪聲電壓放大倍數為(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 節式（2）、式（4）。 輸入噪聲信號放大倍數N較大，因此噪聲信號容易失真，產生諧波。因此，直流工作點VCE、I2的選取應保證三極管集電極和發射極處有足夠大的電壓，使電路有較大的動態范圍。

2 降噪電路設計

現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。可調穩壓塊輸出電壓為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軟件對降噪電路進行優化。發射極電阻為56.5Ω時，電路的濾除效果最好。取標準值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電阻值比較小，可承受較大的電流。設電源輸出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 1.2 小節所述求得 R1為 1 歐姆，R2為 47Ω，R3為 56kΩ，R5為 3kΩ，RF為 0.8Ω。 設輸入噪聲信號峰峰值20mV，頻率10kHz，借助ADS軟件建立仿真模型，優化后RF為0.96Ω，各節點電壓電流值如圖 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電阻進行微調。

圖7 三極管降噪電路仿真模型

圖8 不同發射極電阻對應的輸出噪聲(V～Ω)

圖9 復合三極管降噪電路模型

現在設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節所述,假設無負載，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、各節點電壓電流值見圖10。對電阻RF掃描的結果如圖11。最優值為14.6Ω，可通過精密可調電阻得到，理論輸出噪聲信號峰峰值＜9uV。即該電路對10kHz處噪聲抑制達47dB。

圖10 運放－三極管降噪電路仿真模型

對不同負載電流情況下電路降噪性能進行仿真，輸出噪聲峰峰值僅變化了50nV,如圖12，表明負載電流從0A到10A變化時，電路的降噪性能幾乎沒有惡化，同時由于串聯電阻很小，負載電流為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行仿真發現，由于隔直電容值對低頻信號呈現的阻抗，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 不同發射極電阻對應的輸出噪聲(V～Ω)

圖12 不同負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中發射極電阻對輸出噪聲影響(V～Ω)

3 結論

分析表明，根據文中歸納的設計公式設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,表明了設計方法的科學合理性。得出的電路可用于DC/DC變換器、開關器型穩壓塊輸出紋波、電源噪聲或干擾信號的濾除，保護其他電路不受電源噪聲或干擾的影響，因而有著廣泛的實用價值。分析還表明電路對電源噪聲的抑制程度對發射級電阻值較敏感，設計時需要加以注意。

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

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