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運(yùn)算放大器電路的固有噪聲分析與測(cè)量

作者: 時(shí)間:2007-08-14 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

第四部分:SPIC 介紹

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/258769.htm

在本部分,我們將介紹 以及如何證明的宏模型能準(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開(kāi)發(fā)自己的模型來(lái)解決這一問(wèn)題。

測(cè)試噪聲模型的準(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://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/TINA">TINA 中的“輸出”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。 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)

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 Hz~10 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)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,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) 公司的Bill Sands為 TI 開(kāi)發(fā)了分離噪聲源。您可從 TI 網(wǎng)站 www.ti.com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。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(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(jiàn)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 “.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(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2.5fA/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)。

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

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。

特別感謝以下 TI人員提供的技術(shù)意見(jiàn):

  • 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。



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