一种运算放大器低频噪声测量方法

陈晓娟， 张新超， 姜 山， 康爱民

1.长春理工大学电子信息工程学院，长春130022

2.国网吉林供电公司，长春130022

集成运放作为实现低噪声放大器的基础[1]，可以用来调节和放大信号，被广泛应用于分立和集成电路中，在汽车电子、通信、消费等各领域扮演重要的角色.由于集成运放通常用于电子电路和系统的中间级核心部分，一旦出现故障将直接影响整个电路和系统，造成巨大的损失，因此保障其可靠性至关重要.目前集成运放的质量和可靠性诊断多采用高温、高压等加速寿命测试方法，该方法需要大量的人力和物力，且对器件的损坏是不可逆的.低频噪声对器件的缺陷非常敏感，在具有相同电流-电压（I-V）特性的器件中所观察到低频噪声特性仍具有很大差异[2].而且低频噪声测量是在集成运放正常工作条件下进行的诊断测试[3]，因此可作为无损、快速、高灵敏和精确的质量和可靠性诊断工具[4-6].

1 集成运放噪声模型

集成运放的输入级采用双极型晶体管（bipolar junction transistor,BJT）、结型场效应晶体管（junction field effect transistor,JFET）、互补金属氧化物半导体（complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS）等半导体器件构成的差分放大结构，而每一个半导体器件都会产生噪声[8].其中主要的噪声源包括：1）热激发引起的电荷载流子随机运动产生的热噪声；2）具有高热能的载流子随机地通过正向偏置结势垒而形成的散粒噪声；3）由于产生-复合中心的存在导致载流子数量波动，从而引起的产生-复合（generation-recombination,g-r）噪声；4）由于自由载流子被具有不同寿命的中心随机捕获和发射形成的表面1/f噪声；5）由于载流子在晶格上以及杂质上散射形成的体1/f噪声.根据噪声叠加原理，将影响集成运放低频噪声的参数叠加取平均来构建噪声模型.其低频噪声源通常有1/f噪声、产生-复合噪声、热噪声和散粒噪声等的叠加，其功率谱密度为

式中，A为白噪声幅值，B为1/fα噪声幅值，α为接近1 的常数，Ci为g-r 噪声幅值，foi为第i个g-r 噪声的转折频率，N为g-r 噪声的度量.

2 集成运放低频噪声测量

集成运放中的低频噪声属于微弱信号，单位带宽的噪声电压可低至几个nV，噪声电流可低至pA 级[9-10].影响低频噪声测量准确性的因素有两个：一个是低频噪声是器件内部载流子随机运动过程产生的电压或电流，其随机性会引起测量的随机误差；另一个是测量系统和测量环境的背景噪声会影响测试精度[11-12].因此需要测量系统及测试环境的背景噪声足够低.本系统采用低噪声放大器和低噪声线性电源来降低测量电路所引入的本底噪声；同时采用镍氢电池组为整个系统提供电源，可杜绝由电力线引入的50 Hz 工频干扰，基于频率自适应滤波器能够有效消除因电网频率变化而导致的相位检测误差[13]；最后，在整个测试系统外围加上屏蔽盒，进一步减少外围环境所引入的噪声.其测量系统的整体框图如图1所示.

2.1 偏置电路设计

由于器件的低频噪声是在器件正常工作条件下进行的无损测量，因此偏置电路的作用是为待测器件提供不同的偏置电压，从而测量该偏置条件下集成运放自身的低频噪声[14].为了避免偏置电路中电阻等器件的热噪声和低频噪声通过后端放大电路放大，从而对整个测试系统的噪声特性产生破坏，本文选择三端可编程稳压并联二极管组成待测集成运放的偏置电路，由镍氢电池组为该偏置电路供电.同时，在集成运放的输入端接入耦合电解电容进行滤波.

图1 低频噪声测量系统框图Figure1 Low frequency noise measurement system block diagram

图2 偏置电路Figure2 Bias circuit

式中，Rg为R2和R3的并联阻抗，Eg为电阻Rg的噪声电压；Zb为R4、R5串联后与C1和C9并联所构成的阻抗，Eb为R4和R5串联后的噪声电压.由式(2)可知，当增加Rg+Zb，减小Eg和Eb时，偏置电流就会减小，当C9很大时，偏置电路中的低频噪声可忽略.如图3所示，通过Multisim 仿真得到精密电压源输出电压的变化量小于5 nV，远低于低频噪声的幅度，所以该设计满足测试的要求.

图3 偏置电路电压噪声Figure3 Bias circuit voltage noise

2.2 低噪声放大电路

低噪声放大电路是低频噪声测量的核心部分，为了尽可能地减小放大电路自身产生的噪声[15]，本文由纹波系数极低的低噪声线性稳压电源为其供电.采用现象稳压芯片LM317 产生可调的正电源，LM337 产生可调的负电源，电压可调范围分别为1.2～37 V 和-1.2～37 V，输出电流均可达到1.5 A 以上.

如图4所示，稳压电源的输入端为镍氢电池组，以正电源部分为例，电容C11、C14、C15是对电池组的滤波电容，电容C16用来提高纹波的抑制能力，C10和C13对输出电压进行滤波，提高输出的稳定性.为了进一步降低电源的纹波系数，在输出端采用了二阶无源低通滤波，取R=10 kΩ，C=1µF，截止频率为15.8 Hz，滤波前电源纹波为pV 级，滤波后电源纹波下降，变为fV 级，效果明显.

根据测试要求，放大电路必须满足以下要求[16]：1）必须选用低噪声分立器件，2）满足最佳阻抗匹配，保证前置级工作时噪声最小.根据弗里斯公式

可知，在整个放大电路中输入级的噪声性能是最敏感的，并且对整个放大电路的噪声性能影响也是最大的.

低噪声放大器由输入级、中间级及滤波电路3 部分组成.输入级可以提供40 dB 的增益，中间级可以提供80 dB 的增益，滤波电路可以提供6 dB 的增益，整个电路增益为128 dB.电路设计的原理图如图5所示.

为了消除偏置电路的直流分量及各级电路的直流分量，本文采用高通滤波器对信号进行滤波，避免了放大器放大直流信号后产生运放饱和的现象.输入级是由JFET 和集成运放组成的低噪声高阻抗差分放大电路，两个JFET 组成“单入双出”的差分结构，消除了零点漂移现象[17-20].JFET 的源极采用MOS 管组成的镜像电流源，稳定了JFET 的工作点.为了确保电路的稳定性，增加了RC 相位补偿电路，提高了输入级的稳定性.输入级的放大倍数A=R7/R12.中间级是由同相放大电路级联构成的，单级放大倍数过大时，信号带宽将会下降，影响通带的平坦度.中间级总的放大倍数为80 dB，当前两级提供120 dB 的增益时，截止频率为150 kHz，并且通带平坦设计满足低频噪声测量频带要求.为了减少100 kHz 以上噪声信号对器件性能评估的影响，在放大器的输出级设计了截止频率为100 kHz 的二阶低通有源滤波器.对其进行交流分析可得，它不仅可以滤除高于100 kHz 的信号，而且可以提供6 dB的增益.

图4 低噪声线性稳压电源Figure4 Low noise linear stabilized voltage power

3 实验验证

3.1 放大电路交流分析

如图6所示，当前两级提供120 dB 的增益时，截止频率为150 kHz，并且通带平坦设计满足低频噪声测量频带要求.

3.2 放大电路噪声分析

采用频谱分析仪对低噪声放大电路的噪声测量，其结果如图7所示.从图中可以看出，在1 kHz 处，输入噪声频谱密度为4.3×10-17V2/Hz.在小于100 kHz 的频带内，输入噪声功率谱密度平坦，平均输入噪声功率谱密度接近4×10-18V2/Hz.

3.3 集成运放AD711 低频噪声测量

图6 放大电路增益-带宽图Figure6 Gain-bandwidth diagram of the amplifier circuit

图7 双对数坐标下放大电路噪声功率谱密度Figure7 Log-log coordinates lower the power spectral density of large circuit noise

为了验证所设计的低频噪声测量系统，对AD 公司设计集成运算放大器AD711 进行低频噪声测量，得到其功率谱密度如图8所示；表1给出了本文所提出的测试系统以及商用仪器在特殊点处测得的低频噪声功率谱密度数据，测量相对误差为0.039.

图8 集成运放AD711 低频噪声功率谱密度Figure8 Integrated operational amplifier AD711 low frequency noise power spectral density

4 结 语

本文建立了集成运算放大器的低频噪声模型，完成了低频噪声测量系统的偏置电路、电源电路和放大电路的搭建，其中放大电路可提供126 dB 的增益和150 kHz 的带宽.通过实际的AD711 集成运放的低频噪声测量，得到其时间序列和功率谱密度曲线.通过对特殊频率点处测量的低频噪声数据提取并与商用仪器所测数据的对比可得，本设计的低频噪声测试系统测量相对误差为0.039，本设计的低频噪声测量系统为集成运算放大器低频噪声的测量提供了有效方法.

表1 特殊点低频噪声功率谱密度Table1 Special point low frequency noise power spectral density