運(yùn)算放大器電路固有噪聲的分析與測(cè)量（八）

第八部分：爆米花噪聲（一）

本文將討論如何測(cè)量并辨別爆米花噪聲；以及相對(duì)于1/f及寬帶噪聲的幅度；還有對(duì)爆米花噪聲特別敏感的諸多應(yīng)用。

1/f和寬帶噪聲的回顧

討論爆米花噪聲以前，對(duì)時(shí)域和寬帶及1/f噪聲的統(tǒng)計(jì)表示法進(jìn)行回顧是非常有幫助的。1/f和寬帶噪聲均具有高斯分布的特點(diǎn)。此外，在一個(gè)特定設(shè)計(jì)中，這些噪聲類型都是一貫的并且是可以預(yù)見(jiàn)的。到目前為止，我們已經(jīng)從本文中了解了如何通過(guò)計(jì)算和仿真（圖1－2）來(lái)預(yù)測(cè)噪聲級(jí)別。但是，這些方法均不能用于測(cè)量爆米花噪聲。



圖8.1寬帶噪聲――時(shí)域及柱狀圖

圖8.21/f噪聲――時(shí)域及柱狀圖
何謂爆米花噪聲
爆米花噪聲是一種在雙極晶體管基極電流中的突然階躍或跳躍，或FET晶體管閾值電壓中的一種階躍。之所以將其稱為爆米花噪聲，是因?yàn)楫?dāng)通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)時(shí)其聽(tīng)起來(lái)類似爆米花的聲音。這種噪聲也被稱為猝發(fā)噪聲和隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)。爆米花噪聲出現(xiàn)在低頻率（通常為f1kHz）下。每秒鐘可以發(fā)生數(shù)次猝發(fā)，在極少數(shù)情況下，可能數(shù)分鐘才發(fā)生。

圖8.3顯示了時(shí)域中的爆米花噪聲及其相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分布情況。需要注意的是，噪聲級(jí)別的不同跳躍與分布峰值相對(duì)應(yīng)。很明顯，該分布情況與非高斯爆米花噪聲相關(guān)。實(shí)際上，本例中顯示的分布情況為三條放置于彼此頂部的高斯曲線（三模分布）。出現(xiàn)這種情況的原因是，本例中的爆米花噪聲具有三個(gè)離散電平。各猝發(fā)間的噪聲為寬帶和1/f噪聲的組合。因此，該噪聲由三個(gè)不同的1/f及寬帶噪聲高斯分布組成，而1/f及寬帶噪聲又被爆米花噪聲轉(zhuǎn)換為不同的電平。


圖8.3爆米花噪聲時(shí)域及柱狀圖

爆米花噪聲的起因

人們認(rèn)為，爆米花噪聲是由電荷陷阱或半導(dǎo)體材料中的微小缺陷引起的。我們已經(jīng)知道重金屬原子污染是引起爆米花噪聲的原因。在失效分析時(shí)，專家通常會(huì)對(duì)具有較多爆米花噪聲的器件進(jìn)行仔細(xì)的檢查。失效分析將查找會(huì)引起爆米花噪聲的微小缺陷。圖8.4顯示了如何將一個(gè)正常晶體管與一個(gè)帶有晶體缺陷的晶體管進(jìn)行對(duì)比。




圖8.4正常晶體管與帶有晶體缺陷的晶體管的比較

這種問(wèn)題的普遍程度如何？

爆米花噪聲與那些在半導(dǎo)體制造期間出現(xiàn)的問(wèn)題有關(guān)系。對(duì)許多現(xiàn)代工藝而言，爆米花噪聲的出現(xiàn)相對(duì)要少一些。一般而言，爆米花噪聲取決于不同的“批次”，即一些批次沒(méi)有爆米花噪聲，而其他批次可能會(huì)有一點(diǎn)。一批特別差的半導(dǎo)體可能會(huì)有百分之五的器件具有爆米花噪聲。在許多情況下，我們都可以找出引起爆米花噪聲的制造技術(shù)問(wèn)題。

爆米花噪聲――究竟是電流噪聲還是電壓噪聲？

在雙極晶體管中，爆米花噪聲以基極電流的一個(gè)階躍變化形式出現(xiàn)。因此，雙極運(yùn)算放大器爆米花噪聲通常表現(xiàn)為偏置電流噪聲。由于這一原因，雙極放大器中的爆米花噪聲可能僅在高源阻抗應(yīng)用中出現(xiàn)。

在具有JFET輸入放大器的雙極運(yùn)算放大器中，偏置電流噪聲通常不是個(gè)問(wèn)題。在一些情況下，一個(gè)內(nèi)部級(jí)雙極晶體管將會(huì)產(chǎn)生爆米花噪聲。這種爆米花噪聲表現(xiàn)為電壓噪聲。

一般而言，MOSFET放大器往往不總是產(chǎn)生爆米花噪聲。MOSFET晶體管中的爆米花噪聲表現(xiàn)為閾值電壓的一個(gè)階躍。在運(yùn)算放大器中，其將表現(xiàn)為電壓噪聲。

電壓爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及生產(chǎn)測(cè)試

在本文中，我們將討論如何實(shí)施爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和生產(chǎn)測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試是小批量樣片器件測(cè)試工程實(shí)驗(yàn)室中的一種測(cè)試方法。生產(chǎn)測(cè)試是使用自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備對(duì)大批量器件進(jìn)行測(cè)試的一種測(cè)試方法。這兩種測(cè)試方法之間的主要不同之處在于生產(chǎn)測(cè)試需要的測(cè)試時(shí)間較短（通常為t≤1秒）。生產(chǎn)測(cè)試時(shí)間需要較短的時(shí)間是因?yàn)樯a(chǎn)測(cè)試時(shí)間成本非常高昂。在許多情況下，測(cè)試成本與半導(dǎo)體裸片的成本相當(dāng)。
圖8.5顯示了測(cè)量一款運(yùn)算放大器(U1)電壓爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置。需要注意的是，該放大器的非反相輸入被接地，因此該放大器的噪聲及DC輸出為增益乘以偏移，該噪聲進(jìn)而被U2放大。請(qǐng)注意，U1和U2的增益均被設(shè)定為100，即總增益為100x100=10,000。這是一個(gè)典型的爆米花噪聲測(cè)量增益設(shè)置；但是，您可能會(huì)需要對(duì)這一設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，以適用于您的應(yīng)用。

U2輸出端的低通濾波器將帶寬限制在100Hz。該濾波器消除了較高頻率噪聲，并顯示出爆米花噪聲（如果沒(méi)有出現(xiàn)爆米花噪聲則為1/f噪聲）。根據(jù)具體應(yīng)用，可以在10Hz到1000Hz的范圍內(nèi)，對(duì)這種濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè)10Hz低通濾波器具有一些衰減60Hz拾取的優(yōu)點(diǎn)。但是，其也有模糊一些高頻率猝發(fā)的缺點(diǎn)。一個(gè)1000Hz低通濾波器將捕獲高頻率猝發(fā)，但同時(shí)也開(kāi)始含有極大的寬帶噪聲。100Hz濾波器是一款介于10Hz和1000Hz濾波器的折中方案。但是，您可能想通過(guò)做實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察使用哪一種可以獲得測(cè)量的最佳結(jié)果。



圖8.5測(cè)量運(yùn)算放大器電壓爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

U2之后是一個(gè)0.003Hz的HPF。該濾波器是使用一個(gè)陶瓷電容器和示波器輸入阻抗構(gòu)建而成的。需要注意的是，并聯(lián)的數(shù)個(gè)小陶瓷電容器可用于構(gòu)建大陶瓷電容器（例如：4x5uF）。該高通濾波器用于消除DC偏移，這種偏移將可能會(huì)比測(cè)量出的噪聲大得多。使用這種濾波器將允許使用最佳示波器范圍測(cè)量出噪聲信號(hào)。在本例中，DC輸出偏移大約為2V，該噪聲擁有一個(gè)340mVpp的幅度。0.003HzHPF不但去除了2VDC組件，而且還允許您在200mV示波器刻度上觀察340mVpp信號(hào)。

利用輸入偏移并將其與總增益相乘，您就可以輕松地估計(jì)出可能的輸出偏移。圖8.6顯示了這種計(jì)算方法。需要注意的是，該輸出偏移沒(méi)有將運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)至電源軌（本例為+/-15V）。如果輸出偏移接近電源軌，那么您將有必要減少增益或U1和U2之間的AC耦合。還需要注意的是，當(dāng)該電路首次被上電時(shí)，將需要對(duì)濾波器電容C2充電至輸出偏移電壓，這樣將需要大量的時(shí)間（大約為5分鐘）。圖8.6還給出了充電時(shí)間的計(jì)算方法。


圖8.6運(yùn)算放大器電壓爆米花噪聲試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的相關(guān)計(jì)算

圖8.7顯示了測(cè)量運(yùn)算放大器(U1)電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設(shè)置。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試設(shè)置和生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置之間的主要區(qū)別在于生產(chǎn)測(cè)試中采用了數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器使用數(shù)學(xué)方法來(lái)過(guò)濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長(zhǎng)充電時(shí)間。這樣就保持了較短的測(cè)試時(shí)間（也即低了成本）。在本例中，該測(cè)試設(shè)備使用一個(gè)可編程增益放大器(PGA)來(lái)將噪聲放大到一個(gè)容易測(cè)量的級(jí)別?；蹹AC可以被用于消除輸出偏移。該最終測(cè)試方法是許多生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)的典型方法。但是，這些方法將隨系統(tǒng)的不同而各異。



圖8.7測(cè)量電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設(shè)置


電流爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及生產(chǎn)測(cè)試

圖8.8顯示了測(cè)量一個(gè)放大運(yùn)算器(U1)的電流爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置。請(qǐng)注意，一個(gè)1MΩ電阻器與兩個(gè)輸入端串聯(lián)。該1MΩ電阻器放大了電流噪聲，從而使其成為輸出端的主要噪聲。請(qǐng)注意，該配置將會(huì)找出兩個(gè)輸入端上的爆米花噪聲。由于噪聲可能與任何輸入端相關(guān)聯(lián)，因此這一點(diǎn)是很重要的。兩個(gè)輸入端都應(yīng)進(jìn)行檢查。圖8.9圖解說(shuō)明了電流噪聲與輸入電阻呈線性增長(zhǎng)，同時(shí)，熱噪聲與輸入電阻的平方根成比例地增長(zhǎng)。因此，如果您將輸入電阻增加到一定值，您就可以使電流噪聲成為主要噪聲。圖8.10給出了一些方程式，以幫助您選擇一個(gè)使電流噪聲成為主要噪聲的輸入電阻。


圖8.8測(cè)量?jī)x表放大器電流爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試


圖8.9噪聲隨著輸入電阻呈線性增長(zhǎng)



圖8.10選擇輸入電阻的方程式

請(qǐng)注意，圖8.8所示用于測(cè)量電流爆米花噪聲的電路并不需要次級(jí)增益，這是因?yàn)檩斎腚娮杵骺梢杂米麟娏髟肼暫推秒娏鞯囊粋€(gè)增益。電流噪聲測(cè)量電路具有與應(yīng)用于電壓噪聲電路一樣的濾波器。0.003Hz的高通濾波器消除了DC輸出偏移。DC輸出偏移一般是由流經(jīng)輸入電阻器的偏置電流產(chǎn)生的。位于U1輸出端的低通濾波器將帶寬限制為100Hz。該濾波器不但消除了較高頻率的噪聲，而且還可以顯示出爆米花噪聲（如果沒(méi)有任何爆米花噪聲，則顯示為1/f噪聲）。圖8.11給出了與圖8.8中所示電流爆米花噪聲測(cè)量電路相關(guān)的濾波器的計(jì)算方式。


圖8.11相關(guān)濾波器的計(jì)算方式

圖8.12顯示了用于測(cè)量一個(gè)運(yùn)算放大器(U1)電流爆米花噪聲的生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試設(shè)置與生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置之間主要的區(qū)別在于生產(chǎn)測(cè)試中使用了數(shù)字濾波器，該數(shù)字濾波器使用數(shù)學(xué)方法過(guò)濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長(zhǎng)充電時(shí)間，這樣就保持了較短的測(cè)試時(shí)間。



圖8.12測(cè)量電流爆米花噪聲的生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置