運(yùn)算放大器電路固有噪聲分析與測(cè)量第八部分爆米花噪聲

1、    運(yùn)算放大器電路固有噪聲分析與測(cè)量第八部分:爆米花噪聲運(yùn)算放大器電路固有噪聲分析與測(cè)量第八部分:爆米花噪聲文將討論如何測(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)算和運(yùn)算放大器電路固有噪聲分析與測(cè)量第八部分:爆米花噪聲文將討論如何測(cè)量并辨別爆米花噪

2、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 12）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 8.2 1/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

3、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 f < 1kHz）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/

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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：4 x 5uF）。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

9、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。0.003Hz HPF 不但去除了 2V DC 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

10、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?；?DAC 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)

11、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) 1M 電阻器與兩個(gè)輸入端串聯(lián)。該 1M 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

12、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?一個(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，

13、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)置爆米花噪聲數(shù)據(jù)分析在此章節(jié)我們將推薦幾種用于分析低頻噪聲并確定是否有爆米花

14、噪聲方法。所使用的分析技術(shù)獨(dú)立于用于測(cè)量數(shù)據(jù)的電路結(jié) 構(gòu)。工程師一般用定性方法都能檢測(cè)出一個(gè)示波器波形，并確定一個(gè)信號(hào)是否具有爆米花噪聲。我們還將介紹如何用定性方法確定 爆米花噪聲。此外，我們將討論如何設(shè)置爆米花噪聲以及 1/f 噪聲的通過(guò)/失敗極限。圖 8.13 顯示了一個(gè)典型的無(wú)爆米花噪聲的時(shí)域噪聲信號(hào)。該信號(hào)的截止頻率為 300Hz。因此，該噪聲為 1/f 噪聲和寬帶噪聲的一 個(gè)綜合噪聲。噪聲信號(hào)左側(cè)的柱狀圖用于強(qiáng)調(diào)該噪聲電壓為高斯分布型。圖 8.14 顯示了更詳細(xì)的典型噪聲高斯分布。圖 8.13 1/f噪聲和寬帶噪聲的綜合噪聲圖 8.14 標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲相關(guān)的高斯分布圖 8.15 顯示了

15、一個(gè)典型的帶有爆米花噪聲的時(shí)域噪聲信號(hào)。該信號(hào)的截止頻率為 300Hz。噪聲信號(hào)左側(cè)的柱狀圖用于強(qiáng)調(diào)該噪 聲電壓為非高斯分布型。圖 8.16 顯示了與圖 8.15 中所示的相同的波形，劃圈和箭頭部分用于強(qiáng)調(diào)爆米花信號(hào)躍至離散模式。就這 個(gè)特例而言，出現(xiàn)了三個(gè)離散噪聲級(jí)，在該分布圖中產(chǎn)生了三種模式。如欲了解典型非高斯噪聲分布的更多詳情，敬請(qǐng)參閱圖 8.17。圖 8.15 爆米花噪聲的時(shí)域信號(hào)圖 8.16：時(shí)域爆米花噪聲信號(hào)的柱狀圖圖 8.17 時(shí)域爆米花噪聲信號(hào)的柱狀圖因此，確定一個(gè)信號(hào)是否有爆米花噪聲的一個(gè)方法就是查看一個(gè)非高斯分布圖。我們?cè)诖藢⒉粚?duì)用于測(cè)試一個(gè)分布為高斯或非 高斯分布的數(shù)學(xué)方

16、法進(jìn)行介紹。相反我們將主要精力集中在可以查找與一個(gè)噪聲信號(hào)邊緣相關(guān)的較大突變的技術(shù)上。找到一個(gè)信 號(hào)突變的一般方法是取該信號(hào)的導(dǎo)數(shù)。圖8.18 顯示了當(dāng)爆米花信號(hào)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換時(shí)，爆米花噪聲信號(hào)的導(dǎo)數(shù)如何產(chǎn)生較大的尖峰。 圖 8.19 顯示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲的導(dǎo)數(shù)。圖 8.19 中的噪聲只有寬帶和閃爍爆米花噪聲，即無(wú)爆米花噪聲。請(qǐng)注意，取寬帶和閃爍噪 聲的導(dǎo)數(shù)并不會(huì)出現(xiàn)較大的尖峰。圖 8.18 爆米花噪聲信號(hào)的導(dǎo)數(shù)圖 8.19 標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲的導(dǎo)數(shù)花噪聲柱狀圖在離群值較大的柱 (outlying bin) 中具有大量的計(jì)數(shù)。這些離群值柱與導(dǎo)數(shù)中的尖峰相對(duì)應(yīng)。請(qǐng)注意，標(biāo)準(zhǔn)器件的柱 狀圖不具備大量的離

17、群值 (outlier)。就該例子而言，我們查看該分布中 ±4 處的離群值。+/-4 標(biāo)準(zhǔn)偏差之外的測(cè)量噪聲的統(tǒng)計(jì)概率為 0.007%。所示的示例柱狀圖中含有 15000 個(gè)樣本，因此我們可以認(rèn)為只有一個(gè)樣本（15000 x 0.007% = 1.05）在這些極限之外。因此， +/- 4 極限之外其余的條形柱很可能就是爆米花噪聲。該測(cè)試的極限應(yīng)根據(jù)柱狀圖中的樣本數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。圖 8.20 標(biāo)準(zhǔn)器件和器件爆米花噪聲導(dǎo)數(shù)分布圖確定器件是否帶有爆米花噪聲的另一種方法是將所測(cè)量的峰至峰噪聲與理想的峰至峰噪聲進(jìn)行對(duì)比。圖 8.21 將一個(gè)帶有爆米 花噪聲的器件的分布圖與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件的分布圖進(jìn)行

18、了對(duì)比。請(qǐng)注意，爆米花噪聲峰至峰值為標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲的6倍。此外，還應(yīng)注意 我們對(duì)比例進(jìn)行了調(diào)整，從而強(qiáng)調(diào)了爆米花噪聲的非高斯特性。請(qǐng)記住，不規(guī)則的強(qiáng)低頻噪聲是爆米花噪聲比較明顯的指示，但是 沒(méi)有必要證明存在爆米花噪聲。但是，具有不規(guī)則高噪聲級(jí)別的器件肯定都有故障，無(wú)論這些器件是否具有爆米花噪聲。圖 8.21：標(biāo)準(zhǔn)器件峰至峰噪聲與器件峰至峰爆米花噪聲的對(duì)比設(shè)置爆米花噪聲測(cè)試極限本文推薦了兩種用于篩選出爆米花噪聲的方法。第一種方法是取噪聲信號(hào)的導(dǎo)數(shù)，并找出分布圖中的離群值。該測(cè)試建議的極 限為 +/-4 標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，如果該導(dǎo)數(shù)中任何一點(diǎn)超出 +/- 4 標(biāo)準(zhǔn)偏差，則可認(rèn)為該器件出現(xiàn)故障。第二種方法是查看峰至對(duì)峰噪聲。該測(cè)試極限的設(shè)置使用噪聲系列文章第 7 部分中的最差情況噪聲準(zhǔn)則，圖 8.22 以圖表方式總 結(jié)了這些準(zhǔn)則。最差情況的經(jīng)驗(yàn)法則描述了譜線密度曲線如何隨著工藝變化而變化。使用第 3 和第 4 部分所提及的方法，及最差情 況譜線密度曲線，您可以估測(cè)出最差情況下的理想噪聲，最差情況下的理想噪聲為利用標(biāo)準(zhǔn)器件預(yù)測(cè)出的最大噪聲。與最差情況極 限相比