基于BJT的有源降噪电路

魏文臣 刘卫 杨波

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

0 引言

实际电路中，电源往往带有一定的纹波或噪声，比如DC/DC转换器的纹波、低频串扰、电阻热噪声等，稳压块自身也会产生噪声，它们往往会影响电路中的其他部分，致使系统的指标如相噪、杂散等恶化，因此有必要对电源噪声或纹波进行滤除。

传统的降噪电路一般采用电感和电容来滤波，电感需要承受所有负载电流。这样当干扰信号频率很低时，电感值必须加大，其串联电阻也随之增大，限制了负载的最大电流，同时也难以对低频干扰噪声进行较彻底的滤除。

Wenzel公司有文章提出通过反相放大器来滤除电源噪声[1]，给出了三种电路形式，但是未对电路进行具体分析，也未给出具体的设计公式，实际实现时还要靠工程师不断的调试来满足需要。本文在这里对该三种降噪电路分别进行分析，推导出设计公式，给出设计实例.并进行了仿真验证。

1 降噪电路工作原理

1.1 单个三极管的降噪电路

第一种电路如图1所示，输入的噪声电流通过三极管集电极流入到地，最终的结果就是R1上的交流压降即为稳压块输出电压噪声，V0点成为交流虚地点。下面对该电路进行直流和交流分析，以得出实用的设计公式。

电路的直流等效电路如图2所示。为增大电路的动态范围并保证三极管工作在放大状态，VCE、I2的选择应保证发射极和集电极都有适当的直流电压，可选 VCE＞1V,I2＞5mA。 若 VIN、V0、I2、IL给定，电阻：

图1 单个三极管的降噪电路

图2 图1电路的直流通路

当 R4＞＞R1时，I2≈IE，R4上的电流相对于集电极电流可忽略不计，电阻：

图1的交流等效电路如图3所示。噪声信号vi被反相放大，噪声电流i与R2上流经的电流构成回路，输出端交流电压为0。当R3足够大时，其上的交流可忽略，i≈ic。

当 R3＞＞(R1+R2)时，

VT=26mV。可初选为基电极分压电阻R3，R4须满足：

图3 图1电路的交流通路

1.2 复合三极管的降噪电路

对于较大电流的负载，串联电阻R1有必要减小。由公式（3）可以看出，为保证反馈电阻不为负值，就需要更高的电流增益，为此图1中的三极管可用达林顿管代替，将它与NPN管子结合，电路改变如图4，R5为分流电阻，用来改善复合管工作点的热稳定性。

该电路的工作原理与1.1类似。为保证RF上的交流电流与R2上的电流一致，R3、R4＞＞R1、R2。 R1一般很小，R2、RF的计算可参考式（2）、式（3）。对于Q1，选取R5上的直流I5保证三极管Q1工作在放大状态。I5远大于Q2基极电流。设Q2发射极偏压为VBE2，电阻：

图4 较高电流负载能力的复合管降噪电路

1.3 运算放大器－三极管型降噪电路

该电路结构如图4，采用负反馈运算放大器将噪声电压放大数百倍后加到放大器发射极电阻RF上。这样R1两端的噪声压降即为发射极电阻RF上噪声压降的数百分之一，由于两者通过的噪声电流一样，R1的值即为RF的数百分之一，从而大大减少了串联电阻值，提高了电路负载能力，在图4电路中噪声电压放大倍数为(1+R8/R7)倍，电路右半部分交流等效电路如图6。令(1+R8/R7)为N，有：

设加在三极管基极的噪声电压为vb，

由基尔霍夫电流定律，

图5 含有运放的降噪电路

图6 图5右半部分交流通路

由（7）、（8）、（9）可求得发射极电阻：

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

R2、R3、R4的选取可参照 1.1 节式（2）、式（4）。 输入噪声信号放大倍数N较大，因此噪声信号容易失真，产生谐波。因此，直流工作点VCE、I2的选取应保证三极管集电极和发射极处有足够大的电压，使电路有较大的动态范围。

2 降噪电路设计

现在我们采用第一种电路形式对某器件供电。器件电压为3V，电流为27mA。可调稳压块输出电压为5.3V,三极管为SMBT3904N,β=400。IL取为 10mA，VCE取为 1.5V。由 1.1 节公式求得 R1为 62 欧姆，RF为 59Ω，R2为 91Ω，R3为 10kΩ，R4为 47kΩ。以峰峰值为 20mV 频率为10kHz的干扰信号为例，借助ADS软件对降噪电路进行优化。发射极电阻为56.5Ω时，电路的滤除效果最好。取标准值56Ω欧，输出干扰信号峰峰值为0.16mV，即10kHz处噪声抑制有42dB。

第二种形式的电路串联电阻值比较小，可承受较大的电流。设电源输出12V，降噪电路输出电压为11.5V，电流为0.5A。我们选择I5为5mA，IL为 100mA，R4为 10kΩ。 据 1.2 小节所述求得 R1为 1 欧姆，R2为 47Ω，R3为 56kΩ，R5为 3kΩ，RF为 0.8Ω。 设输入噪声信号峰峰值20mV，频率10kHz，借助ADS软件建立仿真模型，优化后RF为0.96Ω，各节点电压电流值如图 9，输出信号峰峰值 0.044mV，如图 14，噪声抑制53dB。从图14也可以看出噪声抑制程度对RF很敏感，因此可采用精密的可调电阻进行微调。

图7 三极管降噪电路仿真模型

图8 不同发射极电阻对应的输出噪声(V～Ω)

图9 复合三极管降噪电路模型

现在设计第三种形式的降噪电路。输入电压为15V，噪声信号频率为10kHz,峰峰值为2mV。依照1.3节所述,假设无负载，选择VCE为9V，IEQ为 30mA，计算得出 R3＝20kΩ，R4＝33kΩ。 其他元件值及仿真模型、各节点电压电流值见图10。对电阻RF扫描的结果如图11。最优值为14.6Ω，可通过精密可调电阻得到，理论输出噪声信号峰峰值＜9uV。即该电路对10kHz处噪声抑制达47dB。

图10 运放－三极管降噪电路仿真模型

对不同负载电流情况下电路降噪性能进行仿真，输出噪声峰峰值仅变化了50nV,如图12，表明负载电流从0A到10A变化时，电路的降噪性能几乎没有恶化，同时由于串联电阻很小，负载电流为10A时电压只降低了0.5V。

对降噪电路对1kHz－100kHz带宽噪声的滤除性能进行仿真发现，由于隔直电容值对低频信号呈现的阻抗，在5kHz以下，降噪性能略有变差；5kHz以上随着噪声频率的升高，电路的降噪性能也随之减弱，在100kHz处，噪声抑制大约27dB,如图13所示。

图11 不同发射极电阻对应的输出噪声(V～Ω)

图12 不同负载电流对输出噪声的影响（V～A）

图13 电路对不同频率噪声的抑制（dB～kHz）

图14 图9中发射极电阻对输出噪声影响(V～Ω)

3 结论

分析表明，根据文中归纳的设计公式设计的三种电路对电源噪声以及较小纹波均有很好的滤除作用，理论值均大于40dB,表明了设计方法的科学合理性。得出的电路可用于DC/DC变换器、开关器型稳压块输出纹波、电源噪声或干扰信号的滤除，保护其他电路不受电源噪声或干扰的影响，因而有着广泛的实用价值。分析还表明电路对电源噪声的抑制程度对发射级电阻值较敏感，设计时需要加以注意。

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

［2］康华光,等,编.电子技术基础[M].5 版.高等教育出版社,2011.