一種運(yùn)算放大器低頻噪聲測(cè)量方法

陳曉娟， 張新超， 姜 山， 康愛(ài)民

1.長(zhǎng)春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022

2.國(guó)網(wǎng)吉林供電公司，長(zhǎng)春130022

集成運(yùn)放作為實(shí)現(xiàn)低噪聲放大器的基礎(chǔ)[1]，可以用來(lái)調(diào)節(jié)和放大信號(hào)，被廣泛應(yīng)用于分立和集成電路中，在汽車(chē)電子、通信、消費(fèi)等各領(lǐng)域扮演重要的角色.由于集成運(yùn)放通常用于電子電路和系統(tǒng)的中間級(jí)核心部分，一旦出現(xiàn)故障將直接影響整個(gè)電路和系統(tǒng)，造成巨大的損失，因此保障其可靠性至關(guān)重要.目前集成運(yùn)放的質(zhì)量和可靠性診斷多采用高溫、高壓等加速壽命測(cè)試方法，該方法需要大量的人力和物力，且對(duì)器件的損壞是不可逆的.低頻噪聲對(duì)器件的缺陷非常敏感，在具有相同電流-電壓（I-V）特性的器件中所觀察到低頻噪聲特性仍具有很大差異[2].而且低頻噪聲測(cè)量是在集成運(yùn)放正常工作條件下進(jìn)行的診斷測(cè)試[3]，因此可作為無(wú)損、快速、高靈敏和精確的質(zhì)量和可靠性診斷工具[4-6].

1 集成運(yùn)放噪聲模型

集成運(yùn)放的輸入級(jí)采用雙極型晶體管（bipolar junction transistor,BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（junction field effect transistor,JFET）、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS）等半導(dǎo)體器件構(gòu)成的差分放大結(jié)構(gòu)，而每一個(gè)半導(dǎo)體器件都會(huì)產(chǎn)生噪聲[8].其中主要的噪聲源包括：1）熱激發(fā)引起的電荷載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲；2）具有高熱能的載流子隨機(jī)地通過(guò)正向偏置結(jié)勢(shì)壘而形成的散粒噪聲；3）由于產(chǎn)生-復(fù)合中心的存在導(dǎo)致載流子數(shù)量波動(dòng)，從而引起的產(chǎn)生-復(fù)合（generation-recombination,g-r）噪聲；4）由于自由載流子被具有不同壽命的中心隨機(jī)捕獲和發(fā)射形成的表面1/f噪聲；5）由于載流子在晶格上以及雜質(zhì)上散射形成的體1/f噪聲.根據(jù)噪聲疊加原理，將影響集成運(yùn)放低頻噪聲的參數(shù)疊加取平均來(lái)構(gòu)建噪聲模型.其低頻噪聲源通常有1/f噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、熱噪聲和散粒噪聲等的疊加，其功率譜密度為

式中，A為白噪聲幅值，B為1/fα噪聲幅值，α為接近1 的常數(shù)，Ci為g-r 噪聲幅值，foi為第i個(gè)g-r 噪聲的轉(zhuǎn)折頻率，N為g-r 噪聲的度量.

2 集成運(yùn)放低頻噪聲測(cè)量

集成運(yùn)放中的低頻噪聲屬于微弱信號(hào)，單位帶寬的噪聲電壓可低至幾個(gè)nV，噪聲電流可低至pA 級(jí)[9-10].影響低頻噪聲測(cè)量準(zhǔn)確性的因素有兩個(gè)：一個(gè)是低頻噪聲是器件內(nèi)部載流子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的電壓或電流，其隨機(jī)性會(huì)引起測(cè)量的隨機(jī)誤差；另一個(gè)是測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量環(huán)境的背景噪聲會(huì)影響測(cè)試精度[11-12].因此需要測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)試環(huán)境的背景噪聲足夠低.本系統(tǒng)采用低噪聲放大器和低噪聲線性電源來(lái)降低測(cè)量電路所引入的本底噪聲；同時(shí)采用鎳氫電池組為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，可杜絕由電力線引入的50 Hz 工頻干擾，基于頻率自適應(yīng)濾波器能夠有效消除因電網(wǎng)頻率變化而導(dǎo)致的相位檢測(cè)誤差[13]；最后，在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)外圍加上屏蔽盒，進(jìn)一步減少外圍環(huán)境所引入的噪聲.其測(cè)量系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示.

2.1 偏置電路設(shè)計(jì)

由于器件的低頻噪聲是在器件正常工作條件下進(jìn)行的無(wú)損測(cè)量，因此偏置電路的作用是為待測(cè)器件提供不同的偏置電壓，從而測(cè)量該偏置條件下集成運(yùn)放自身的低頻噪聲[14].為了避免偏置電路中電阻等器件的熱噪聲和低頻噪聲通過(guò)后端放大電路放大，從而對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的噪聲特性產(chǎn)生破壞，本文選擇三端可編程穩(wěn)壓并聯(lián)二極管組成待測(cè)集成運(yùn)放的偏置電路，由鎳氫電池組為該偏置電路供電.同時(shí)，在集成運(yùn)放的輸入端接入耦合電解電容進(jìn)行濾波.

圖1 低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)框圖Figure1 Low frequency noise measurement system block diagram

圖2 偏置電路Figure2 Bias circuit

式中，Rg為R2和R3的并聯(lián)阻抗，Eg為電阻Rg的噪聲電壓；Zb為R4、R5串聯(lián)后與C1和C9并聯(lián)所構(gòu)成的阻抗，Eb為R4和R5串聯(lián)后的噪聲電壓.由式(2)可知，當(dāng)增加Rg+Zb，減小Eg和Eb時(shí)，偏置電流就會(huì)減小，當(dāng)C9很大時(shí)，偏置電路中的低頻噪聲可忽略.如圖3所示，通過(guò)Multisim 仿真得到精密電壓源輸出電壓的變化量小于5 nV，遠(yuǎn)低于低頻噪聲的幅度，所以該設(shè)計(jì)滿足測(cè)試的要求.

圖3 偏置電路電壓噪聲Figure3 Bias circuit voltage noise

2.2 低噪聲放大電路

低噪聲放大電路是低頻噪聲測(cè)量的核心部分，為了盡可能地減小放大電路自身產(chǎn)生的噪聲[15]，本文由紋波系數(shù)極低的低噪聲線性穩(wěn)壓電源為其供電.采用現(xiàn)象穩(wěn)壓芯片LM317 產(chǎn)生可調(diào)的正電源，LM337 產(chǎn)生可調(diào)的負(fù)電源，電壓可調(diào)范圍分別為1.2～37 V 和-1.2～37 V，輸出電流均可達(dá)到1.5 A 以上.

如圖4所示，穩(wěn)壓電源的輸入端為鎳氫電池組，以正電源部分為例，電容C11、C14、C15是對(duì)電池組的濾波電容，電容C16用來(lái)提高紋波的抑制能力，C10和C13對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波，提高輸出的穩(wěn)定性.為了進(jìn)一步降低電源的紋波系數(shù)，在輸出端采用了二階無(wú)源低通濾波，取R=10 k?，C=1μF，截止頻率為15.8 Hz，濾波前電源紋波為pV 級(jí)，濾波后電源紋波下降，變?yōu)閒V 級(jí)，效果明顯.

根據(jù)測(cè)試要求，放大電路必須滿足以下要求[16]：1）必須選用低噪聲分立器件，2）滿足最佳阻抗匹配，保證前置級(jí)工作時(shí)噪聲最小.根據(jù)弗里斯公式

可知，在整個(gè)放大電路中輸入級(jí)的噪聲性能是最敏感的，并且對(duì)整個(gè)放大電路的噪聲性能影響也是最大的.

低噪聲放大器由輸入級(jí)、中間級(jí)及濾波電路3 部分組成.輸入級(jí)可以提供40 dB 的增益，中間級(jí)可以提供80 dB 的增益，濾波電路可以提供6 dB 的增益，整個(gè)電路增益為128 dB.電路設(shè)計(jì)的原理圖如圖5所示.

為了消除偏置電路的直流分量及各級(jí)電路的直流分量，本文采用高通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，避免了放大器放大直流信號(hào)后產(chǎn)生運(yùn)放飽和的現(xiàn)象.輸入級(jí)是由JFET 和集成運(yùn)放組成的低噪聲高阻抗差分放大電路，兩個(gè)JFET 組成“單入雙出”的差分結(jié)構(gòu)，消除了零點(diǎn)漂移現(xiàn)象[17-20].JFET 的源極采用MOS 管組成的鏡像電流源，穩(wěn)定了JFET 的工作點(diǎn).為了確保電路的穩(wěn)定性，增加了RC 相位補(bǔ)償電路，提高了輸入級(jí)的穩(wěn)定性.輸入級(jí)的放大倍數(shù)A=R7/R12.中間級(jí)是由同相放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的，單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)大時(shí)，信號(hào)帶寬將會(huì)下降，影響通帶的平坦度.中間級(jí)總的放大倍數(shù)為80 dB，當(dāng)前兩級(jí)提供120 dB 的增益時(shí)，截止頻率為150 kHz，并且通帶平坦設(shè)計(jì)滿足低頻噪聲測(cè)量頻帶要求.為了減少100 kHz 以上噪聲信號(hào)對(duì)器件性能評(píng)估的影響，在放大器的輸出級(jí)設(shè)計(jì)了截止頻率為100 kHz 的二階低通有源濾波器.對(duì)其進(jìn)行交流分析可得，它不僅可以濾除高于100 kHz 的信號(hào)，而且可以提供6 dB的增益.

圖4 低噪聲線性穩(wěn)壓電源Figure4 Low noise linear stabilized voltage power

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 放大電路交流分析

如圖6所示，當(dāng)前兩級(jí)提供120 dB 的增益時(shí)，截止頻率為150 kHz，并且通帶平坦設(shè)計(jì)滿足低頻噪聲測(cè)量頻帶要求.

3.2 放大電路噪聲分析

采用頻譜分析儀對(duì)低噪聲放大電路的噪聲測(cè)量，其結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出，在1 kHz 處，輸入噪聲頻譜密度為4.3×10-17V2/Hz.在小于100 kHz 的頻帶內(nèi)，輸入噪聲功率譜密度平坦，平均輸入噪聲功率譜密度接近4×10-18V2/Hz.

3.3 集成運(yùn)放AD711 低頻噪聲測(cè)量

圖6 放大電路增益-帶寬圖Figure6 Gain-bandwidth diagram of the amplifier circuit

圖7 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下放大電路噪聲功率譜密度Figure7 Log-log coordinates lower the power spectral density of large circuit noise

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)AD 公司設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大器AD711 進(jìn)行低頻噪聲測(cè)量，得到其功率譜密度如圖8所示；表1給出了本文所提出的測(cè)試系統(tǒng)以及商用儀器在特殊點(diǎn)處測(cè)得的低頻噪聲功率譜密度數(shù)據(jù)，測(cè)量相對(duì)誤差為0.039.

圖8 集成運(yùn)放AD711 低頻噪聲功率譜密度Figure8 Integrated operational amplifier AD711 low frequency noise power spectral density

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了集成運(yùn)算放大器的低頻噪聲模型，完成了低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)的偏置電路、電源電路和放大電路的搭建，其中放大電路可提供126 dB 的增益和150 kHz 的帶寬.通過(guò)實(shí)際的AD711 集成運(yùn)放的低頻噪聲測(cè)量，得到其時(shí)間序列和功率譜密度曲線.通過(guò)對(duì)特殊頻率點(diǎn)處測(cè)量的低頻噪聲數(shù)據(jù)提取并與商用儀器所測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比可得，本設(shè)計(jì)的低頻噪聲測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量相對(duì)誤差為0.039，本設(shè)計(jì)的低頻噪聲測(cè)量系統(tǒng)為集成運(yùn)算放大器低頻噪聲的測(cè)量提供了有效方法.

表1 特殊點(diǎn)低頻噪聲功率譜密度Table1 Special point low frequency noise power spectral density