運算放大器電路固有噪聲的分析與測量（八）

第八部分：爆米花噪聲（一）

本文將討論如何測量并辨別爆米花噪聲；以及相對于1/f及寬帶噪聲的幅度；還有對爆米花噪聲特別敏感的諸多應(yīng)用。

1/f和寬帶噪聲的回顧

討論爆米花噪聲以前，對時域和寬帶及1/f噪聲的統(tǒng)計表示法進(jìn)行回顧是非常有幫助的。1/f和寬帶噪聲均具有高斯分布的特點。此外，在一個特定設(shè)計中，這些噪聲類型都是一貫的并且是可以預(yù)見的。到目前為止，我們已經(jīng)從本文中了解了如何通過計算和仿真（圖1－2）來預(yù)測噪聲級別。但是，這些方法均不能用于測量爆米花噪聲。



圖8.1寬帶噪聲――時域及柱狀圖

圖8.21/f噪聲――時域及柱狀圖
何謂爆米花噪聲
爆米花噪聲是一種在雙極晶體管基極電流中的突然階躍或跳躍，或FET晶體管閾值電壓中的一種階躍。之所以將其稱為爆米花噪聲，是因為當(dāng)通過揚(yáng)聲器播放出來時其聽起來類似爆米花的聲音。這種噪聲也被稱為猝發(fā)噪聲和隨機(jī)電報信號(RTS)。爆米花噪聲出現(xiàn)在低頻率（通常為f1kHz）下。每秒鐘可以發(fā)生數(shù)次猝發(fā)，在極少數(shù)情況下，可能數(shù)分鐘才發(fā)生。

圖8.3顯示了時域中的爆米花噪聲及其相關(guān)的統(tǒng)計分布情況。需要注意的是，噪聲級別的不同跳躍與分布峰值相對應(yīng)。很明顯，該分布情況與非高斯爆米花噪聲相關(guān)。實際上，本例中顯示的分布情況為三條放置于彼此頂部的高斯曲線（三模分布）。出現(xiàn)這種情況的原因是，本例中的爆米花噪聲具有三個離散電平。各猝發(fā)間的噪聲為寬帶和1/f噪聲的組合。因此，該噪聲由三個不同的1/f及寬帶噪聲高斯分布組成，而1/f及寬帶噪聲又被爆米花噪聲轉(zhuǎn)換為不同的電平。


圖8.3爆米花噪聲時域及柱狀圖

爆米花噪聲的起因

人們認(rèn)為，爆米花噪聲是由電荷陷阱或半導(dǎo)體材料中的微小缺陷引起的。我們已經(jīng)知道重金屬原子污染是引起爆米花噪聲的原因。在失效分析時，專家通常會對具有較多爆米花噪聲的器件進(jìn)行仔細(xì)的檢查。失效分析將查找會引起爆米花噪聲的微小缺陷。圖8.4顯示了如何將一個正常晶體管與一個帶有晶體缺陷的晶體管進(jìn)行對比。




圖8.4正常晶體管與帶有晶體缺陷的晶體管的比較

這種問題的普遍程度如何？

爆米花噪聲與那些在半導(dǎo)體制造期間出現(xiàn)的問題有關(guān)系。對許多現(xiàn)代工藝而言，爆米花噪聲的出現(xiàn)相對要少一些。一般而言，爆米花噪聲取決于不同的“批次”，即一些批次沒有爆米花噪聲，而其他批次可能會有一點。一批特別差的半導(dǎo)體可能會有百分之五的器件具有爆米花噪聲。在許多情況下，我們都可以找出引起爆米花噪聲的制造技術(shù)問題。

爆米花噪聲――究竟是電流噪聲還是電壓噪聲？

在雙極晶體管中，爆米花噪聲以基極電流的一個階躍變化形式出現(xiàn)。因此，雙極運算放大器爆米花噪聲通常表現(xiàn)為偏置電流噪聲。由于這一原因，雙極放大器中的爆米花噪聲可能僅在高源阻抗應(yīng)用中出現(xiàn)。

在具有JFET輸入放大器的雙極運算放大器中，偏置電流噪聲通常不是個問題。在一些情況下，一個內(nèi)部級雙極晶體管將會產(chǎn)生爆米花噪聲。這種爆米花噪聲表現(xiàn)為電壓噪聲。

一般而言，MOSFET放大器往往不總是產(chǎn)生爆米花噪聲。MOSFET晶體管中的爆米花噪聲表現(xiàn)為閾值電壓的一個階躍。在運算放大器中，其將表現(xiàn)為電壓噪聲。

電壓爆米花噪聲的試驗臺測試及生產(chǎn)測試

在本文中，我們將討論如何實施爆米花噪聲的試驗臺測試和生產(chǎn)測試。試驗臺測試是小批量樣片器件測試工程實驗室中的一種測試方法。生產(chǎn)測試是使用自動化測試設(shè)備對大批量器件進(jìn)行測試的一種測試方法。這兩種測試方法之間的主要不同之處在于生產(chǎn)測試需要的測試時間較短（通常為t≤1秒）。生產(chǎn)測試時間需要較短的時間是因為生產(chǎn)測試時間成本非常高昂。在許多情況下，測試成本與半導(dǎo)體裸片的成本相當(dāng)。
圖8.5顯示了測量一款運算放大器(U1)電壓爆米花噪聲的試驗臺設(shè)置。需要注意的是，該放大器的非反相輸入被接地，因此該放大器的噪聲及DC輸出為增益乘以偏移，該噪聲進(jìn)而被U2放大。請注意，U1和U2的增益均被設(shè)定為100，即總增益為100x100=10,000。這是一個典型的爆米花噪聲測量增益設(shè)置；但是，您可能會需要對這一設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，以適用于您的應(yīng)用。

U2輸出端的低通濾波器將帶寬限制在100Hz。該濾波器消除了較高頻率噪聲，并顯示出爆米花噪聲（如果沒有出現(xiàn)爆米花噪聲則為1/f噪聲）。根據(jù)具體應(yīng)用，可以在10Hz到1000Hz的范圍內(nèi)，對這種濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個10Hz低通濾波器具有一些衰減60Hz拾取的優(yōu)點。但是，其也有模糊一些高頻率猝發(fā)的缺點。一個1000Hz低通濾波器將捕獲高頻率猝發(fā)，但同時也開始含有極大的寬帶噪聲。100Hz濾波器是一款介于10Hz和1000Hz濾波器的折中方案。但是，您可能想通過做實驗來觀察使用哪一種可以獲得測量的最佳結(jié)果。



圖8.5測量運算放大器電壓爆米花噪聲的試驗臺測試

U2之后是一個0.003Hz的HPF。該濾波器是使用一個陶瓷電容器和示波器輸入阻抗構(gòu)建而成的。需要注意的是，并聯(lián)的數(shù)個小陶瓷電容器可用于構(gòu)建大陶瓷電容器（例如：4x5uF）。該高通濾波器用于消除DC偏移，這種偏移將可能會比測量出的噪聲大得多。使用這種濾波器將允許使用最佳示波器范圍測量出噪聲信號。在本例中，DC輸出偏移大約為2V，該噪聲擁有一個340mVpp的幅度。0.003HzHPF不但去除了2VDC組件，而且還允許您在200mV示波器刻度上觀察340mVpp信號。

利用輸入偏移并將其與總增益相乘，您就可以輕松地估計出可能的輸出偏移。圖8.6顯示了這種計算方法。需要注意的是，該輸出偏移沒有將運算放大器驅(qū)動至電源軌（本例為+/-15V）。如果輸出偏移接近電源軌，那么您將有必要減少增益或U1和U2之間的AC耦合。還需要注意的是，當(dāng)該電路首次被上電時，將需要對濾波器電容C2充電至輸出偏移電壓，這樣將需要大量的時間（大約為5分鐘）。圖8.6還給出了充電時間的計算方法。


圖8.6運算放大器電壓爆米花噪聲試驗臺測試的相關(guān)計算

圖8.7顯示了測量運算放大器(U1)電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設(shè)置。試驗臺測試設(shè)置和生產(chǎn)測試設(shè)置之間的主要區(qū)別在于生產(chǎn)測試中采用了數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器使用數(shù)學(xué)方法來過濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長充電時間。這樣就保持了較短的測試時間（也即低了成本）。在本例中，該測試設(shè)備使用一個可編程增益放大器(PGA)來將噪聲放大到一個容易測量的級別?；蹹AC可以被用于消除輸出偏移。該最終測試方法是許多生產(chǎn)測試系統(tǒng)的典型方法。但是，這些方法將隨系統(tǒng)的不同而各異。



圖8.7測量電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設(shè)置


電流爆米花噪聲的試驗臺測試及生產(chǎn)測試

圖8.8顯示了測量一個放大運算器(U1)的電流爆米花噪聲的試驗臺設(shè)置。請注意，一個1MΩ電阻器與兩個輸入端串聯(lián)。該1MΩ電阻器放大了電流噪聲，從而使其成為輸出端的主要噪聲。請注意，該配置將會找出兩個輸入端上的爆米花噪聲。由于噪聲可能與任何輸入端相關(guān)聯(lián)，因此這一點是很重要的。兩個輸入端都應(yīng)進(jìn)行檢查。圖8.9圖解說明了電流噪聲與輸入電阻呈線性增長，同時，熱噪聲與輸入電阻的平方根成比例地增長。因此，如果您將輸入電阻增加到一定值，您就可以使電流噪聲成為主要噪聲。圖8.10給出了一些方程式，以幫助您選擇一個使電流噪聲成為主要噪聲的輸入電阻。


圖8.8測量儀表放大器電流爆米花噪聲的試驗臺測試


圖8.9噪聲隨著輸入電阻呈線性增長



圖8.10選擇輸入電阻的方程式

請注意，圖8.8所示用于測量電流爆米花噪聲的電路并不需要次級增益，這是因為輸入電阻器可以用作電流噪聲和偏置電流的一個增益。電流噪聲測量電路具有與應(yīng)用于電壓噪聲電路一樣的濾波器。0.003Hz的高通濾波器消除了DC輸出偏移。DC輸出偏移一般是由流經(jīng)輸入電阻器的偏置電流產(chǎn)生的。位于U1輸出端的低通濾波器將帶寬限制為100Hz。該濾波器不但消除了較高頻率的噪聲，而且還可以顯示出爆米花噪聲（如果沒有任何爆米花噪聲，則顯示為1/f噪聲）。圖8.11給出了與圖8.8中所示電流爆米花噪聲測量電路相關(guān)的濾波器的計算方式。


圖8.11相關(guān)濾波器的計算方式

圖8.12顯示了用于測量一個運算放大器(U1)電流爆米花噪聲的生產(chǎn)測試設(shè)置。試驗臺測試設(shè)置與生產(chǎn)測試設(shè)置之間主要的區(qū)別在于生產(chǎn)測試中使用了數(shù)字濾波器，該數(shù)字濾波器使用數(shù)學(xué)方法過濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長充電時間，這樣就保持了較短的測試時間。



圖8.12測量電流爆米花噪聲的生產(chǎn)測試設(shè)置