運(yùn)算放大器電路的固有噪聲分析與測(cè)量第四部分SPIC噪聲分析運(yùn)算放大器

1、    運(yùn)算放大器電路的固有噪聲分析與測(cè)量第四部分，SPIC，噪聲分析，運(yùn)算放大器在本系列的第三部分，我們對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路進(jìn)行了實(shí)際分析。在本部分中，我們將采用所謂“TINASPICE”電路模擬套件來(lái)分析運(yùn)算放大器電路。（您可在TI網(wǎng)站上通過(guò)輸入TINA搜索，獲得TINASPICE的免費(fèi)版TINA-TI）。TINASPICE能夠就SPICE套件進(jìn)行傳統(tǒng)類型的模擬（如dc、瞬態(tài)、頻率域分析、噪聲分析等）。此外，TINA-TI還配有眾多TI模擬宏模型。在本部分，我們將介紹TINA噪聲分析以及如何證明運(yùn)算放大器的宏模型能準(zhǔn)確對(duì)噪聲進(jìn)行建在本系列的第三部分

2、，我們對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器電路進(jìn)行了實(shí)際分析。在本部分中，我們將采用所謂“TINASPICE”電路模擬套件來(lái)分析運(yùn)算放大器電路。（您可在TI網(wǎng)站上通過(guò)輸入TINA搜索，獲得TINASPICE的免費(fèi)版TINA-TI）。TINASPICE能夠就SPICE套件進(jìn)行傳統(tǒng)類型的模擬（如dc、瞬態(tài)、頻率域分析、噪聲分析等）。此外，TINA-TI還配有眾多TI模擬宏模型。在本部分，我們將介紹TINA噪聲分析以及如何證明運(yùn)算放大器的宏模型能準(zhǔn)確對(duì)噪聲進(jìn)行建模。重要的是，我們應(yīng)當(dāng)了解，有些模型可能不能對(duì)噪聲做適當(dāng)建模。為此，我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試步驟來(lái)加以檢查，并通過(guò)用分離噪聲源和通用運(yùn)算放大器開發(fā)自己的模型來(lái)

3、解決這一問(wèn)題。測(cè)試運(yùn)算放大器噪聲模型的準(zhǔn)確性圖4.1顯示了用于確認(rèn)運(yùn)算放大器噪聲模型準(zhǔn)確性的測(cè)試電路。CCV1是一種流控電壓源，我們用它來(lái)將噪聲電流轉(zhuǎn)換為噪聲電壓。之所以要進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換，是因?yàn)門INA中的“輸出噪聲分析”需要對(duì)噪聲電壓進(jìn)行嚴(yán)格檢查。CCV1的增益必須如圖所示設(shè)為1，這樣電流就能直接轉(zhuǎn)換為電壓。運(yùn)算放大器采用電壓輸出器配置，這樣輸出就能反映輸入噪聲情況。TINA能夠識(shí)別到兩個(gè)輸出測(cè)量節(jié)點(diǎn)“voltage_noise”與“current_noise”，它們用于生成噪聲圖。由于TINA需要輸入源才能進(jìn)行噪聲分析，因此我們添加了信號(hào)源VG1。我們將此信號(hào)源配置成正弦曲線，但這對(duì)噪聲分析

4、并不重要（見圖4.2）。圖4.1：配置噪聲測(cè)試電路（設(shè)置CCV1增益為1）圖4.2：配置噪聲測(cè)試電路（設(shè)置信號(hào)源VG1）隨后，我們可從下來(lái)菜單中選擇“分析噪聲分析”（如圖4.3所示），進(jìn)行噪聲分析，這將生成噪聲分析表。然后輸入需要的起始和終止頻率。該頻率范圍由受測(cè)試的運(yùn)算放大器的規(guī)范決定。就本例而言，OPA227的規(guī)范要求頻率范圍為0.1Hz10kHz，也就是說(shuō)，這就是適合本例的頻率范圍。隨后，在“圖表”項(xiàng)下選擇“輸出噪聲”選項(xiàng)，便可針對(duì)電路中每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)（儀表）生成不同的頻譜密度曲線。這樣，我們進(jìn)行分析時(shí)，就能獲得兩個(gè)頻譜密度曲線圖，一個(gè)是針對(duì)“電壓噪聲”節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)則是針對(duì)“電流噪聲”節(jié)點(diǎn)

5、。圖4.3：執(zhí)行“噪聲分析”選項(xiàng)圖4.4顯示了噪聲分析的結(jié)果。我們可用一些簡(jiǎn)單的方法來(lái)將曲線轉(zhuǎn)換為更有用的形式。首先，我們點(diǎn)擊“視圖”菜單下的“曲線分離”，隨后，再點(diǎn)擊Y軸并選擇“對(duì)數(shù)”標(biāo)度。根據(jù)適當(dāng)范圍設(shè)置上下限（四舍五入到10的N次冪）。點(diǎn)數(shù)調(diào)節(jié)為1+Number_of_Decades。在本例中，我們有三個(gè)十倍頻程（即100f100p），因此，我們需要四點(diǎn)（見圖4.5）。圖4.4：轉(zhuǎn)變?yōu)楦杏玫母袷降暮?jiǎn)單方法（曲線分離）圖4.5：轉(zhuǎn)變?yōu)楦杏玫母袷降暮?jiǎn)單方法（變?yōu)閷?duì)數(shù)標(biāo)度）我們將模擬結(jié)果與圖4.6中的OPA227數(shù)據(jù)表相比較。請(qǐng)注意，二者幾乎相同。這就是說(shuō)，OPA227的TINA-TI模型

6、能準(zhǔn)確進(jìn)行噪聲建模。我們對(duì)OPA627模型也采用與上述相同的步驟，圖4.7顯示了測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)OPA627模型沒(méi)能通過(guò)測(cè)試。OPA627模型的電流噪聲頻譜密度約為3.5E-21A/rt-Hz，而規(guī)范要求則為2.5E-15A/rt-Hz。此外，模型中的電壓噪聲未體現(xiàn)l/f區(qū)。下面，我們將為這款運(yùn)算放大器建模，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)脑肼暯！D4.6：OPA227通過(guò)建模測(cè)試圖4.7：OPA627未通過(guò)建模測(cè)試建立自己的噪聲模型在第二部分中，我們?cè)榻B過(guò)運(yùn)算放大器噪聲模型，它包括運(yùn)算放大器、電壓噪聲源和電流噪聲源。我們將用分離噪聲源和通用運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)建這一噪聲模型。模擬與Rf模型(Analog&am

7、p圖4.8顯示了用于創(chuàng)建噪聲模型的電路。請(qǐng)注意，這就是我們此前使用的測(cè)試電路配置。該電路配置中有一個(gè)連接在輸入端之間的電流噪聲源。嚴(yán)格地說(shuō)，實(shí)際上有兩個(gè)電流噪聲源。不過(guò)，我們從產(chǎn)品說(shuō)明書很難說(shuō)清楚這些信號(hào)源之間的相互關(guān)系。而且，在電流反饋放大器中這些信號(hào)源的信號(hào)幅度不同。我們?cè)谝院蟮奈恼轮袑⒏敿?xì)地探討上述問(wèn)題。我們將對(duì)電路加以定制，以便對(duì)OPA627的噪聲特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)建模。圖4.8：采用分離噪聲源的運(yùn)算放大器噪聲模型首先，我們應(yīng)配置噪聲電壓源。這只需在噪聲源上右擊并選擇“進(jìn)入宏”即可（見圖4.9）。進(jìn)入“宏”后，彈出文本編輯器，為SPICE宏模型給出了源列表。圖4.10顯示了應(yīng)加以編輯的“.

8、PARAM”信息，以匹配于數(shù)據(jù)表。請(qǐng)注意，NLF是l/f區(qū)中某一點(diǎn)的噪聲頻譜密度（單位為nV/rt-Hz）。FLW是選中點(diǎn)的頻率。圖4.9：進(jìn)入宏以配置噪聲電壓源圖4.10：輸入1/f區(qū)數(shù)據(jù)隨后，我們應(yīng)輸入寬帶噪聲頻譜密度，這里要用到NVR參數(shù)。請(qǐng)注意，由于寬帶噪聲強(qiáng)度就所有頻率而言都是一樣的，因此這里不需要輸入頻率（見圖4.11）。輸入噪聲信息之后，我們必須編輯并關(guān)閉SPICE文本編輯器。點(diǎn)擊“校驗(yàn)框”，注意到狀態(tài)欄會(huì)顯示“編輯成功”消息。在“文件”菜單下選擇“關(guān)閉”，返回原理圖編輯器（見圖4.12）。圖4.11：輸入寬帶區(qū)數(shù)據(jù)我們對(duì)電流噪聲源也要采取相同步驟。就此示例來(lái)說(shuō)，電流源沒(méi)有1/f

9、噪聲。這時(shí)，寬帶頻譜密度和1/f“.PARAM”均設(shè)為2.5fA/rt-Hz。1/f頻率通常設(shè)為非常低的頻率，如0.001Hz（見圖4.13）。圖4.12：編輯“宏”并“關(guān)閉”圖4.13：輸入電流噪聲源數(shù)據(jù)現(xiàn)在，我們對(duì)兩種噪聲源都進(jìn)行了適當(dāng)配置，接下來(lái)就要編輯通用運(yùn)算放大器模型中的一些AC參數(shù)了。具體說(shuō)來(lái)，必須輸入開環(huán)增益和主導(dǎo)極點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)影響放大器的閉環(huán)帶寬，反過(guò)來(lái)閉環(huán)帶寬又會(huì)影響電路的噪聲特性。開環(huán)增益在數(shù)據(jù)表中通常采用dB為單位。我們可用方程式4.1將dB轉(zhuǎn)換為線性增益。我們還可用方程式4.2來(lái)計(jì)算Aol曲線中的主導(dǎo)極點(diǎn)。例4.1就OPA627進(jìn)行了主導(dǎo)極點(diǎn)計(jì)算。圖4.14給出了主導(dǎo)

10、極點(diǎn)的圖示。方程式4.1：將dB轉(zhuǎn)化為線性增益方程式4.2：計(jì)算主導(dǎo)極點(diǎn)例4.1：查找OPA627的線性開環(huán)增益和主導(dǎo)極點(diǎn)圖4.14：增益主導(dǎo)極點(diǎn)與頻率關(guān)系圖下面，我們應(yīng)編輯通用運(yùn)算放大器模型，其中包括開環(huán)增益和主導(dǎo)極點(diǎn)。只需雙擊運(yùn)算放大器標(biāo)志并按下“類型”按鈕即可，這將啟動(dòng)“目錄編輯器”。在“目錄編輯器”中，我們要修改“開環(huán)增益”以匹配于我們?cè)诶?.1中計(jì)算所得的結(jié)果。圖4.15概述了相關(guān)步驟。圖4.15：編輯通用運(yùn)算放大器現(xiàn)在，運(yùn)算放大器的噪聲模型已經(jīng)構(gòu)建完畢。圖4.16顯示了模型上運(yùn)行測(cè)試的過(guò)程及結(jié)果。正如我們所期望的那樣，新模型與數(shù)據(jù)表剛好匹配。圖4.16：“手工構(gòu)建的”新模型順利通過(guò)

11、模型測(cè)試用TINA分析第三部分中的電路圖4.17顯示了采用TinaSPICE的OPA627建模原理圖。請(qǐng)注意，第四部分討論了通過(guò)用分離噪聲源和通用運(yùn)算放大器開發(fā)自己的模型來(lái)對(duì)噪聲進(jìn)行適當(dāng)建模的方法，此外，電阻Rf和R1匹配于第三部分中的示例電路。圖4.17：OPA627電路示例我們可從下來(lái)菜單中選擇“分析噪聲分析”，進(jìn)行TinaSPICE噪聲分析，這將生成噪聲分析表。我們可在噪聲分析表上選擇“輸出噪聲”和“總噪聲”選項(xiàng)?！拜敵鲈肼暋边x項(xiàng)將針對(duì)所有測(cè)試點(diǎn)（即帶儀表的節(jié)點(diǎn)）生成噪聲頻譜密度圖?！翱傇肼暋睂⑸晒β首V密度曲線圖積分結(jié)果。我們可通過(guò)總噪聲曲線明確電路的均方根輸出噪聲電壓。圖4.18顯示

12、了如何執(zhí)行噪聲分析。圖4.18：運(yùn)行噪聲分析324uV）。還要注意，該噪聲為常量，這是由于運(yùn)算放大器的帶寬限制使然。 圖4.19：輸出噪聲圖結(jié)果圖4.20：總噪聲圖結(jié)果本文總結(jié)和下文內(nèi)容提要在本文中，我們介紹了稱作 TINA SPICE 的電路模擬套件。我們用 TINA 開發(fā)了一套簡(jiǎn)單的測(cè)試步驟來(lái)檢查運(yùn)算放大器模型是否可以準(zhǔn)確對(duì)噪聲進(jìn)行建模。在某些情況下，有的模型不能通過(guò)測(cè)試，因此，我們就用分離噪聲源和通用運(yùn)算放大器開發(fā)出了我們自己的模型。我們還用 TINA 來(lái)計(jì)算第三部分實(shí)際分析中所用的示例電路的噪聲。在第五部分，我們將分析測(cè)試噪聲的方法，特別是要對(duì)此前章節(jié)中的噪聲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行物理

13、測(cè)量。致謝!特別感謝以下 TI人員提供的技術(shù)意見：· Rod Bert，高級(jí)模擬 IC 設(shè)計(jì)經(jīng)理；· Bruce Trump，線性產(chǎn)品經(jīng)理；· Tim Green，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)經(jīng)理；· Neil Albaugh，高級(jí)應(yīng)用工程師；· Bill Sands，模擬與 Rf 模型 (Analog & Rf models) 公司技術(shù)顧問(wèn)；http:/%7ewksands/參考書目1.) Robert V. Hogg 與 Elliot A Tanis 共同編著的概率與統(tǒng)計(jì)推斷，第三版，麥克米蘭出版公司 (Macmillan Publishing C

14、o.) 出版；2.) C. D. Motchenbacher 與 J. A. Connelly 共同編著的低噪聲電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Wiley-Interscience Publication 出版。關(guān)于作者：Arthur Kay是 TI 的高級(jí)應(yīng)用工程師。他專門負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器件的支持工作。他于 1993 年畢業(yè)于佐治亞理工學(xué)院 (Georgia Institute of Technology)，并獲得電子工程碩士學(xué)位。附錄 4.1：電壓噪聲宏* BEGIN PROGNSENANO VOLT/RT-HZ.SUBCKT VNSE 1 2* BEGIN SETUP OF NOISE GEN - N

15、ANOVOLT/RT-HZ* INPUT THREE VARIABLES* SET UP VNSE 1/F* NV/RHZ AT 1/F FREQ.PARAM NLF=15* FREQ FOR 1/F VAL.PARAM FLW=10* SET UP VNSE FB* NV/RHZ FLATBAND.PARAM NVR=4.5* END USER INPUT* START CALC VALS.PARAM GLF=PWR(FLW,0.25)*NLF/1164.PARAM RNV=1.184*PWR(NVR,2).MODEL DVN D KF=PWR(FLW,0.5)/1E11 IS=1.0E-1

16、6* END CALC VALSI1 0 7 10E-3I2 0 8 10E-3D1 7 0 DVND2 8 0 DVNE1 3 6 7 8 GLFR1 3 0 1E9R2 3 0 1E9R3 3 6 1E9E2 6 4 5 0 10R4 5 0 RNVR5 5 0 RNVR6 3 4 1E9R7 4 0 1E9E3 1 2 3 4 1C1 1 0 1E-15C2 2 0 1E-15C3 1 2 1E-15.ENDS*END PROG NSE NANOV/RT-HZ附錄 4.2：電流噪聲宏* BEGIN PROG NSE FEMTO AMP/RT-HZ.SUBCKT FEMT 1 2* BEG

17、IN SETUP OF NOISE GEN - FEMPTOAMPS/RT-HZ* INPUT THREE VARIABLES* SET UP INSE 1/F* FA/RHZ AT 1/F FREQ.PARAM NLFF=2.5* FREQ FOR 1/F VAL.PARAM FLWF=0.001* SET UP INSE FB* FA/RHZ FLATBAND.PARAM NVRF=2.5* END USER INPUT* START CALC VALS.PARAM GLFF=PWR(FLWF,0.25)*NLFF/1164.PARAM RNVF=1.184*PWR(NVRF,2).MODEL DVNF D KF=PWR(FLW