使用超 β 全差分放大器优化噪声和功耗
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1 引言
虽然音频工程师一直关注的是超低噪声，但通常只考虑放大器的输入参考电压噪声参数。如果源极和反馈网络的阻抗很低，则可以认为是合理的。但是，对于功耗敏感的系统（例如由电池或 USB 供电的系统），低阻抗可能不是合适的选择。电路设计人员必须考虑输入电阻对系统总噪声的影响，从而在噪声和功率间达到合理平衡。
TI 已推出下一代音频 FDA：OPA1637。该器件采用 TI 新颖的模拟双极工艺技术，其使用的超 β BJT 器件可解决许多音频应用中出现的问题。
2 超 β BJT
OPA1637 与上一代器件相比，其不同之处是输入电路的长尾对中存在双极结型晶体管 (BJT)，此技术被称为超 β BJT。TI 的超 β BJT 其实是具有高 β（即高电流增益 (Hfe)）的单个 BJT。
OPA1637 的性能优势来自于制造技术的改进。精密的制造技术使该产品通过简单的结构实现低噪声、高频率响应以及高电流增益。借助这项模拟工艺技术改进，TI 能够设计出具有高直流和交流性能的双极运算放大器。例如，与前几代晶体管相比，BJT 输入运算放大器具有更高的输入阻抗、更低的噪声、更高的带宽和更低的功耗。这些运算放大器的输入阻抗不如 JFET 输入运算放大器那么高，但可以实现高带宽，同时保持良好的直流精度。
这种优势不仅体现在 OPA1637 上，而且体现在其他采用超 β 晶体管技术的运算放大器中，例如 OPA2202、OPA2210、INA818 和 INA819。
在运算放大器的输入电路中，超 β BJT 有几个优势。
图 2-1 BJT 小信号模型图 2-1 所示为 BJT 的小信号模型，其电流增益的公式为IB = IC/β。
这个简单的公式说明，对于给定的集电极电流，β 值越高，基极电流越低。当该晶体管作为运算放大器输入差分对的一部分时，它相当于降低了运算放大器的输入偏置电流。此外，超 β 可通过预期的和配置的基极电流 IB 来改善运算放大器输入长尾对的输入参考噪声，如以下Equation1、Equation2 和Equation4 计算所示。
在 BJT 小信号模型中，还对输入参考噪声进行了建模。宽带范围内的输入参考电压噪声 EN 和输入参考电流噪声 IN 用 BJT 小信号模型中的参数表示。
其中 k 是热电压公式中所示的玻尔兹曼常数：
- VT 是热电压
- k 是玻尔兹曼常数
- T 是温度
- q 是基本电荷
总之，输入参考电压和电流噪声都通过超 β 晶体管保持在低水平。