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

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(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

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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/TINA">TINA 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)噪聲分析并不重要（見(jiàn)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）

圖 4.3：執(zhí)行 “噪聲分析” 選項(xiàng)

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）

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

圖 4.8：采用分離噪聲源的運(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)

圖 4.11：輸入寬帶區(qū)數(shù)據(jù)

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(kāi)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(kāi)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)極點(diǎn)的圖示。

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(lèi)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)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 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)。“輸出噪聲” 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。“總噪聲”將生成功率譜密度曲線圖積分結(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

• 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://www.home.earthlink.net/%7ewksands/

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 (Macmillan 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(zhuān)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。