運(yùn)算放大器電路的固有噪聲分析與測量(四)

1、運(yùn)算放大器電路的固有噪聲分析與測量(四)第四部分：SPIC噪聲分析介紹在本系列的第三部分，我們對簡單的運(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”電路模擬套件來分析運(yùn)算放大器電路。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，有些模型可能第四部分：SPIC噪聲分析介紹在本系列的第三部分，我們對簡單的運(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

2、“TINASPICE”電路模擬套件來分析運(yùn)算放大器電路。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噪聲做適當(dāng)建模。為此，我們可以用一個簡單的測試步驟來加以檢查，并通過用分離噪聲源和通用運(yùn)算放大器開發(fā)自己的模型來解決這一問題。測試運(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)確性的測試電路。CCV1是一種流控電壓源，我們用它來將噪聲電流轉(zhuǎn)換為噪聲

3、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能夠識別到兩個輸出測量節(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源VG1。我們將此信號源配置成正弦曲線，但這對噪聲分析并不重要（見圖4.2）。圖4.1：配置噪聲測試電路（設(shè)置CCV1增益為1）圖4.2：配置噪聲測試電路（設(shè)置信號源VG1）隨后，我們可從下來菜單中選擇“分析噪聲

4、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，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)，便可針對電路中每個測量節(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，就能獲得兩個頻譜密度曲線圖，一個是針對“電壓噪聲”節(jié)點(diǎn)，另一個則是針對“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。我們可用一些簡單的方法來將曲線轉(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

5、后，再點(diǎn)擊Y軸并選擇“對數(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杏玫母袷降暮唵畏椒ǎㄇ€分離）圖4.5：轉(zhuǎn)變?yōu)楦杏玫母袷降暮唵畏椒ǎㄗ優(yōu)閷?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。請注意，二者幾乎相同。這就是說，OPA227的TINA-TI模型能準(zhǔn)確進(jìn)行噪聲建模。我們對OPA627模型也采用與上述相同的步驟，圖4.7顯示了測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)OPA627模型沒能通過測試。OPA627模型的電流噪聲頻譜密度

6、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通過建模測試圖4.7：OPA627未通過建模測試建立自己的噪聲模型在第二部分中，我們曾介紹過運(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)算放大器來構(gòu)建這一噪聲模型。模擬與Rf模型(Analog&Rfmodels)公司的BillSands為TI開發(fā)了分離噪聲源。您可從TI網(wǎng)站下載這種噪聲源，只需搜索“TINA-TI應(yīng)用原理圖”并查找“噪聲分析”文件夾即可。

7、我們還在附錄4.1和4.2中給出了“TINA宏”列表。圖4.8顯示了用于創(chuàng)建噪聲模型的電路。請注意，這就是我們此前使用的測試電路配置。該電路配置中有一個連接在輸入端之間的電流噪聲源。嚴(yán)格地說，實(shí)際上有兩個電流噪聲源。不過，我們從產(chǎn)品說明書很難說清楚這些信號源之間的相互關(guān)系。而且，在電流反饋放大器中這些信號源的信號幅度不同。我們在以后的文章中將更詳細(xì)地探討上述問題。我們將對電路加以定制，以便對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

8、宏模型給出了源列表。圖4.10顯示了應(yīng)加以編輯的“.PARAM”信息，以匹配于數(shù)據(jù)表。請注意，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)我們對電流噪

9、聲源也要采取相同步驟。就此示例來說，電流源沒有1/f噪聲。這時，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，我們對兩種噪聲源都進(jìn)行了適當(dāng)配置，接下來就要編輯通用運(yùn)算放大器模型中的一些AC參數(shù)了。具體說來，必須輸入開環(huán)增益和主導(dǎo)極點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儠绊懛糯笃鞯拈]環(huán)帶寬，反過來閉環(huán)帶寬又會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來計(jì)算Aol曲線中的主導(dǎo)極點(diǎn)。例4.1就

10、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：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“目錄編輯器”。在“目錄編輯器”中，我們要修改“開環(huán)增益”以匹配于我們在例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)行測試的過程及結(jié)果。正如我們所期望的那樣，新模型與數(shù)據(jù)

11、表剛好匹配。圖4.16：“手工構(gòu)建的”新模型順利通過模型測試用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。請注意，第四部分討論了通過用分離噪聲源和通用運(yùn)算放大器開發(fā)自己的模型來對噪聲進(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)。“輸出噪聲”選項(xiàng)將針對所有測試點(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。我們可通過總

12、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

13、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)了一套簡單的測試步驟來檢查運(yùn)算放大器模型是否可以準(zhǔn)確對噪聲進(jìn)行建模。在某些情況下，有的模型不能通過測試，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，我們將分析測試噪聲的方法，特別是要對此前章節(jié)中的噪聲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行物理測量。致謝!特別感謝以下 TI人員提供的技術(shù)意見： Rod Bert，高級模擬 IC 設(shè)計(jì)經(jīng)理； Bruce Trump，線性產(chǎn)品經(jīng)理； Tim Gr

14、een，應(yīng)用工程設(shè)計(jì)經(jīng)理； Neil Albaugh，高級應(yīng)用工程師； Bill Sands，模擬與 Rf 模型 (Analog & Rf models) 公司技術(shù)顧問；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 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

15、Kay是 TI 的高級應(yīng)用工程師。他專門負(fù)責(zé)傳感器信號調(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 - 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.PARA

16、M 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-16* 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

17、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* 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