運(yùn)算放大器電路的固有噪聲分析與測(cè)量

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 噪聲分析介紹    Art Kay 時(shí)間:2007年08月14日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        通用運(yùn)算放大器開(kāi)發(fā)自己的模型來(lái)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

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 0.1 Hz10 kHz，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

3、對(duì) “電流噪聲” 節(jié)點(diǎn)。?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100f 100p），因此，我們需要四點(diǎn)（見(jiàn)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)

4、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！?圖 4.6：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，

5、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 & Rf models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(shū)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

6、噪聲源的運(yùn)算放大器噪聲模型?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(jiàn)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(jiàn)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 噪聲。這時(shí)，寬帶頻譜密度和 ?1/f “.PARAM” 均設(shè)為2

7、.5fA/rt-Hz。1/f 頻率通常設(shè)為非常低的頻率，如 0.001Hz （見(jiàn)圖 4.13）。?led="f" path="m45l41191195xe" o:preferrelative="t" o:spt="75" coordsize="21600,21600">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 dB 為單位。我們可用方程式 4.1 將 dB 轉(zhuǎn)換為線性增

8、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)極點(diǎn)的圖示。?方程式 4.1?方程式4.1：將 dB 轉(zhuǎn)化為線性增益?方程式 4.2?方程式4.2：計(jì)算主導(dǎo)極點(diǎn)?例 4.1：查找 OPA627 的線性開(kāi)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(kāi)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(kāi)環(huán)增益”以匹配于我們?cè)诶?4.1 中計(jì)算所得的結(jié)果。圖 4.15概述了相關(guān)

9、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)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 Tina SPICE 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(kāi)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 Tina SPICE

10、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?選項(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 顯示了如何執(zhí)行噪聲分析。?圖 4.18：運(yùn)行噪聲分析圖 4.19 和圖 4.20 顯示了 TINA 噪聲分析的結(jié)果。圖 4.19 給出了放大器輸出處的噪聲頻譜密度（即輸出噪聲）。該曲線結(jié)合了所有噪聲源，并包括噪聲增益的效果和噪聲帶寬。圖 4.20 顯示了給定帶寬下放大器輸出處的總噪聲。我們也可以求功率頻譜密度曲線的積分（即電壓頻譜

11、密度的平方），從而推導(dǎo)出該曲線。請(qǐng)注意，該曲線在高頻下為常量，即323uVrms。這一結(jié)果與第三部分中計(jì)算得出的均方根噪聲相匹配（我們計(jì)算所得的噪聲為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(kāi)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(kāi)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

12、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)行物理測(cè)量。?致謝!?特別感謝以下 TI人員提供的技術(shù)意見(jiàn)：?l? Rod Bert，高級(jí)模擬 IC 設(shè)計(jì)經(jīng)理；?l? Bruce Trump，線性產(chǎn)品經(jīng)理；?l? Tim Green，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)經(jīng)理；?l? Neil Albaugh，高級(jí)應(yīng)用工程師；?l? Bill Sands，模擬與 Rf 模型 (Analog & Rf models參考書(shū)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 (Macmilla

13、n Publishing Co.) 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(mén)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 PROG NSE NANO VOLT/RT-HZ?.SUBCKT VNSE 1 2?* BEGIN

14、SETUP OF NOISE GEN - NANOVOLT/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

15、DVN D KF=PWR(FLW,0.5)/1E11 IS=1.0E-16?* END CALC VALS?I1 0 7 10E-3?I2 0 8 10E-3?D1 7 0 DVN?D2 8 0 DVN?E1 3 6 7 8 GLF?R1 3 0 1E9?R2 3 0 1E9?R3 3 6 1E9?E2 6 4 5 0 10?R4 5 0 RNV?R5 5 0 RNV?R6 3 4 1E9?R7 4 0 1E9?E3 1 2 3 4 1?C1 1 0 1E-15?C2 2 0 1E-15?C3 1 2 1E-15?.ENDS?· END PROG NSE NANOV/RT-HZ?附錄

16、 4.2：電流噪聲宏* BEGIN PROG NSE FEMTO AMP/RT-HZ ?.SUBCKT FEMT 1 2?* BEGIN 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(FLWF,0.5)/1E11 IS=1.0E-16?* END CALC VALS?I1 0 7 10E-3?I2