運(yùn)算放大器電路固有噪聲的分析與測(cè)量之放大器的內(nèi)部噪聲（1）

本文將討論決定運(yùn)算放大器 (op amp) 固有噪聲的基本物理關(guān)系。集成電路設(shè)計(jì)人員在噪聲和其他運(yùn)算放大器參數(shù)之間進(jìn)行了一些性能折衷的設(shè)計(jì)，而電路板和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員將從中得到一些啟發(fā)。另外，工程師們還能了解到，如何根據(jù)產(chǎn)品說明書的典型規(guī)范在室溫及超過室溫時(shí)估算最壞情況下的噪聲。

　　最壞情況下的噪聲分析和設(shè)計(jì)的 5 條經(jīng)驗(yàn)法則

　　大多數(shù)運(yùn)算放大器產(chǎn)品說明書列出的僅僅是一個(gè)運(yùn)算放大器噪聲的典型值，沒有任何關(guān)于噪聲溫度漂移的信息。電路板和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員希望能根據(jù)典型值找出一種可以估算最大噪聲的方法，此外，這種方法應(yīng)該還可以有效地估算出隨著溫度變化的噪聲漂移。這里給出了一些有助于進(jìn)行這些估算的基本的晶體管噪聲關(guān)系。但是為了能準(zhǔn)確地利用這些關(guān)系，我們有必要對(duì)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如偏置結(jié)構(gòu)和晶體管類型等等）進(jìn)行一些了解。不過，如果我們考慮到最壞情況下的結(jié)構(gòu)，也可以做一些包括大多數(shù)結(jié)構(gòu)類型的概略性說明。本節(jié)總結(jié)了最壞情況下的噪聲分析和設(shè)計(jì)的 5 條經(jīng)驗(yàn)法則。下一節(jié)給出了與這些經(jīng)驗(yàn)法則相關(guān)的詳細(xì)數(shù)學(xué)計(jì)算方法。

　　經(jīng)驗(yàn)法則 1：對(duì)半導(dǎo)體工藝進(jìn)行一些改變，不會(huì)影響到寬帶電壓噪聲。這是因?yàn)檫\(yùn)算放大器的噪聲通常是由運(yùn)算放大器偏置電流引起的。一般說來，從一個(gè)器件到另一個(gè)器件的偏置電流是相對(duì)恒定的。在一些設(shè)計(jì)中的噪聲主要來自輸入 ESD 保護(hù)電阻的熱噪聲。這樣的話，寬帶噪聲的變化超過典型值的 10% 是非常不可能的。事實(shí)上，許多低噪聲器件的這種變化一般都低于 10%。請(qǐng)參見圖 7.1 示例。

　　寬帶電流噪聲要比電壓噪聲更容易受影響（主要是對(duì)雙極工藝而言）。這是因?yàn)殡娏髟肼暸c基極電流密切相關(guān)，而基極電流又取決于晶體管電流增益 (beta)。通常來說，寬帶電流噪聲頻譜密度的變化不到 30%。

圖 7.1 基于典型值估算的室溫條件下的寬帶噪聲

　　經(jīng)驗(yàn)法則 2：放大器噪聲會(huì)隨著溫度變化而變化。對(duì)于許多偏置方案 (bias scheme) 來說（如，與絕對(duì)溫度成正比的方案，PTAT），噪聲以絕對(duì)溫度的平方根成正比地增大，因此在大范圍的工業(yè)溫度內(nèi)噪聲的變化相對(duì)很小（如，在 25℃ 至 125 ℃之間僅發(fā)生 15% 的變化）。但是，一些偏置方案（如，Zero-TC）可以產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成正比的噪聲。對(duì)于這種最壞情況而言，在同一溫度范圍內(nèi)噪聲變化為 33%，請(qǐng)參見圖 7.2 圖解。

圖 7.2 噪聲在最壞情況下和典型情況下的變化與溫度的關(guān)系

　　經(jīng)驗(yàn)法則 3：1/f 噪聲（如，閃爍噪聲）極易受工藝影響。這是因?yàn)榫w結(jié)構(gòu)制造工藝過程中會(huì)產(chǎn)生一些瑕疵，1/f 噪聲的產(chǎn)生則與這些瑕疵有關(guān)。因此，只要半導(dǎo)體工藝得到很好的控制，那么 1/f 噪聲就不會(huì)出現(xiàn)較大的漂移。制造或工藝變化都會(huì)給 1/f 噪聲帶來巨大的變化。大多數(shù)情況下器件產(chǎn)品說明書都給出了 1/f 噪聲的最大值，卻沒有提及工藝或最終測(cè)試時(shí)對(duì)器件進(jìn)行的測(cè)量。如果產(chǎn)品說明書沒有給出 1/f 噪聲的最大值，那么，假定在并沒有對(duì)工藝控制進(jìn)行優(yōu)化來減少 1/f 噪聲的情況下，三種變化因素可用來估算最壞情況下的噪聲，請(qǐng)參見圖 7.3。

圖 7.3：最壞情況下的 1/f 噪聲估算

　　經(jīng)驗(yàn)法則 4：電路板和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員需要了解的一點(diǎn)是，Iq 和寬帶噪聲呈負(fù)相關(guān)。嚴(yán)格來說，噪聲與運(yùn)算放大器輸入差動(dòng)級(jí)的偏置相關(guān)。但是，由于這類信息還沒有正式公布過，所以我們可以假定 Iq 與差動(dòng)級(jí)偏置成正比。對(duì)于低噪聲放大器來說，這個(gè)假設(shè)是成立的。

　　一般說來，寬帶噪聲與 Iq 的平方根成反比。但是，對(duì)于不同的偏置方案這個(gè)反比關(guān)系也會(huì)發(fā)生變化。此條經(jīng)驗(yàn)法則有助于電路板和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員更好地了解 Iq 和噪聲之間的折衷方法。例如，設(shè)計(jì)人員不應(yīng)該指望放大器帶有極低的靜電流，進(jìn)而產(chǎn)生低噪聲。圖 7.4 圖解說明了該關(guān)系。

圖 7.4：Iq 與寬帶噪聲的關(guān)系

　　經(jīng)驗(yàn)法則 5：FET 運(yùn)算放大器固有電流噪聲非常低。這也說明了雙極與 FET 晶體管以及噪聲之間的差異。因?yàn)?FET 放大器的輸入柵極電流比雙極放大器的輸入基極電流小得多。相反，在給定一個(gè)偏置電流值（如，輸入級(jí)的集電極電流或漏極電流）的情況下，雙極放大器具有更低的電壓噪聲，請(qǐng)參見圖 7.5 的多個(gè)示例。

圖 7.5 MOS 放大器與雙極放大器的電壓及電流噪聲的對(duì)比

　　雙極噪聲的詳細(xì)數(shù)學(xué)計(jì)算方法

　　圖 7.6 表明了雙極晶體管噪聲模型的原理。圖 7.7（方程式 1、2 和 3）中給出了雙極晶體管的基本噪聲關(guān)系。在該部分中，我們將利用這些方程式，以得出一些基本關(guān)系，而經(jīng)驗(yàn)法則就是基于這些基本關(guān)系得出的。

圖 7.6 雙極晶體管噪聲模型

圖 7.7 雙極噪聲基本關(guān)系

　　利用方程式 1 進(jìn)行分析：雙極熱噪聲

　　方程式 1 說明了一個(gè)雙極晶體管基極中的物理電阻熱噪聲。在一個(gè)集成電路運(yùn)算放大器中，電阻器通常是由與差動(dòng)輸入級(jí)基極串聯(lián)的 ESD 保護(hù)電路提供的，如圖 7.8 所示。在一些情況下，這種噪聲是主要的噪聲源。對(duì)大多數(shù)集成電路工藝而言，為該電阻設(shè)置 ±20% 容差值是合理的。圖 7.9 顯示，輸入電阻出現(xiàn) 20% 的變化時(shí)噪聲會(huì)相應(yīng)地發(fā)生 10% 的變化。

圖 7.8 運(yùn)算放大器噪聲熱噪聲分量

圖 7.9 熱噪聲容差