測(cè)試并分析FET輸入電流中的電流噪聲

IC設(shè)計(jì)工程師和電路設(shè)計(jì)師都知道電流噪聲隨頻率增加這一現(xiàn)象,但由于現(xiàn)場(chǎng)文章太少或制造商提供的信息不完整,許多工程師都難以捉摸。

許多半導(dǎo)體制造商的數(shù)據(jù)表,包括ADI的數(shù)據(jù)表,在規(guī)格表中指定放大器的當(dāng)前噪聲,通常頻率為1千赫茲。目前的噪音規(guī)范來自哪里并不總是很清楚。它是被測(cè)量的還是理論的?一些制造商在計(jì)算這個(gè)數(shù)字時(shí)是透明的

所謂的彈射噪聲方程。從歷史上看,阿迪通過這種方式提供了大多數(shù)當(dāng)前的噪音數(shù)據(jù)。這個(gè)計(jì)算的數(shù)字對(duì)每一個(gè)放大器都能保持1千赫茲嗎?

在過去的幾年里,人們?cè)絹碓疥P(guān)注放大器中目前頻率過高的噪音。一些客戶--以及制造商--假設(shè)FET輸入的電流噪聲與雙極輸入放大器類似--例如,1/F或閃爍噪聲組件和平面寬帶組件,如圖1所示。在FET輸入安培中,情況并非如此;相反,在圖2中,它看起來像是一種奇怪的噪聲形狀,不為人所知,在許多模擬模型中被忽略。

圖1電流噪音?AD8099 一種雙極輸入放大器。

圖2一種FET輸入放大器AD8065的電流噪聲。

測(cè)量裝置是關(guān)鍵

在我們了解為什么會(huì)發(fā)生這種情況之前,讓我們來看看測(cè)量設(shè)置。需要一種易于復(fù)制、可靠的測(cè)量方法,以便在許多不同的部分重復(fù)測(cè)量。

可使用DC417B單放大器評(píng)估板。被測(cè)設(shè)備(DUT)的電源必須是低噪聲和低漂移的。線性供應(yīng)是首選的開關(guān)供應(yīng)，因此任何供應(yīng)變化，如開關(guān)工件，不會(huì)增加測(cè)量。LT3045和LT3094，正、負(fù)超高PSRR，超低噪聲線性調(diào)節(jié)器，可用于進(jìn)一步減少來自線性供應(yīng)的紋波。使用LT3045和LT3094，一個(gè)電阻可用于配置高達(dá)+15 V和-15V的任何輸出電壓。這兩個(gè)部分是低噪聲測(cè)量的理想臺(tái)式電源。

Figure 3. Measurement setup.

在不逆變的杜特針上,用一個(gè)10GU型SMT電阻將電流噪聲轉(zhuǎn)換為電壓噪聲。FET輸入電流的典型偏置電流約為1帕,等于0.57法/赫茲。

如果方程

是正確的。10G源阻抗熱噪聲

這給了我們測(cè)量電流噪聲的地面

它可以在后處理中減去。然而,如果電阻電流噪聲控制了DUT的電流噪聲,則無法精確測(cè)量。因此,我們需要一個(gè)至少為10gc的電阻值來查看一些噪聲。100M源阻抗熱噪聲大約為1.28VV/N2O赫茲,不足以區(qū)分DUT和電阻噪聲。噪音,如果不相關(guān),增加根和平方(rss)時(shí)尚。圖4和表1顯示了RSS對(duì)兩個(gè)數(shù)字比率的影響。N:N約增加41%,N:N/2約增加12%,N:N/3約增加5.5%,N:N/5約為2%。如果有足夠的平均值,我們可能可以提取約10%(0.57FA/N2O赫茲和1.28FA/N2O赫茲rss)。

圖4基于兩個(gè)數(shù)字的比例的RSS加成。

圖5顯示安裝裝置的電壓噪音密度?AD8065 ,一個(gè)145兆赫的FET輸入點(diǎn)放大器,共模輸入阻抗為2.1pf。在10個(gè)G817電阻熱噪聲為12.8V/NS赫茲,直到輸入電容連同板和插座雜散電容滾出電壓噪聲。理想的情況是,這將繼續(xù)滾動(dòng)在-20db/Dec,但曲線開始改變形狀在100赫茲左右,平緩在100千赫茲左右。怎么回事?我們的直覺告訴我們,唯一的方法是提供+20db/dc斜率來阻止-20db/dc滾轉(zhuǎn)并造成平坦度。罪魁禍?zhǔn)资请娏髟肼?在+20分貝/DEC斜率的較高頻率下增加。

圖5輸出量指電壓噪聲密度.

可使用SR685動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀或FFT儀器來測(cè)量輸出電壓噪聲,但最好使用不超過7NV/N2O赫茲的噪聲底板。當(dāng)DUT滾轉(zhuǎn)器的輸出電壓噪聲接近20NV/N2O赫茲至30NV/N2O赫茲時(shí),我們希望分析儀地板的噪音增加盡可能少的噪音。三倍的比例只增加約5.5%.我們可以在噪聲域中使用5%的錯(cuò)誤(參見圖4)。

參數(shù)是反計(jì)算的

用這種方法測(cè)量,在一次測(cè)量中得到了繪制電流噪聲所需的兩個(gè)主要參數(shù)。首先,我們得到了總輸入電容--即,雜散電容和輸入電容--這是反向計(jì)算滾轉(zhuǎn)所必需的。即使有走散電容,信息也被捕獲。輸入電容控制在10個(gè)G型電阻上.總阻抗將電流噪聲轉(zhuǎn)化為電壓噪聲。因此,了解總輸入電容是很重要的。其次,它顯示了電流噪聲在哪里開始占主導(dǎo)地位--也就是說,從哪里開始偏離--20db/DEC斜率。

讓我們看看圖5中的數(shù)據(jù)示例。3分貝滾轉(zhuǎn)點(diǎn)的讀數(shù)為2.1赫茲,相當(dāng)于

輸入時(shí)的電容。數(shù)據(jù)表中提到,共模輸入電容只有大約2.1伏安,這意味著有大約5.5伏安的雜散電容。差動(dòng)模式輸入電容是由負(fù)反饋束縛的,所以它在低頻率下不會(huì)真正發(fā)揮作用。圖6顯示電流噪聲的阻抗,具有7.6pp電容。

圖6總阻抗大小為10個(gè)G場(chǎng)電阻和7.6個(gè)Pp輸入電容并行.

用在AD8065(圖5)上測(cè)量的上述輸出(RTO)電壓噪聲除以阻抗和阻抗。頻率(圖6)給出了AD8065和10G型電阻組合在RSS中的等效電流噪聲(圖7)。

圖7AD8065型和10型格維電阻的rti電流噪聲。

在去除了10GDH的當(dāng)前噪聲后,AD8065的輸入?yún)⒖荚肼暼鐖D8所示。低于10赫茲,這是非常模糊的,因?yàn)槲覀冋噲D從1.28FA/N2O赫茲(在RSS尺度上的10%)中找出0.5FA/827赫茲至0.6FA/N2O赫茲的數(shù)據(jù),而且只得出了100個(gè)平均值。在15兆赫至1.56兆赫之間,有400條具有4兆赫帶寬的線路。平均每人256秒!平均100小時(shí)256秒是25600秒,略高于7小時(shí)。為什么要測(cè)量到15兆赫,為什么要花費(fèi)那么多時(shí)間?輸入電容10pp與10gn產(chǎn)生一個(gè)低通濾波器的1.6赫茲。低噪聲FET放大器具有大的輸入電容,最高可達(dá)20伏安,使3分貝點(diǎn)在0.8赫茲。為了正確測(cè)量3分貝點(diǎn),我們需要在10年前看到--即降至0.08赫茲(或80兆赫)。

如果我們看到10赫茲以下的模糊線,0.6FA/N2O赫茲通過

是可以核實(shí)的。這個(gè)公式對(duì)于電流噪聲來說并不完全錯(cuò)誤.在一階近似下,由于電流密度值是通過直流輸入偏置電流得到的,所以它仍然顯示了該部件的低頻電流噪聲行為。然而,在高頻情況下,電流噪聲并不遵循這個(gè)公式。

圖8全球廣播電視網(wǎng)當(dāng)前的噪音AD8605。

在頻率較高的情況下,DUT電流噪聲對(duì)電阻電流噪聲的影響顯著,電阻噪聲可以忽略。圖9顯示了各種FET輸入放大器的輸入?yún)⒖茧娏髟肼?其值為10G階,用圖3所示的設(shè)置測(cè)量。在100千赫的情況下,100FA/N2O赫茲似乎是大多數(shù)精密放大器的典型性能。

圖9選定的阿迪放大器的rti電流噪聲。

有例外:?LTC6268 /?LTC6269 目前100千赫時(shí)的噪音為5.6FA/N2O赫茲。這些部件非常適合高速TIA應(yīng)用,其中需要高帶寬,低輸入電容,飛安級(jí)偏置電流。

圖10輸入量參考電流噪聲LTC6268。

這就是FET輸入安培中的所有電流噪聲嗎?

在高源阻抗應(yīng)用中,有四種主要的電流噪聲源對(duì)總輸入電流噪聲有貢獻(xiàn)。圖11顯示了一個(gè)具有主要噪聲源的簡(jiǎn)化TIA放大器。?MT-050 是操作放大器噪聲源的良好參考。

圖11具有主要噪聲源的簡(jiǎn)化TIA放大器。

FET輸入放大器發(fā)出的電流噪音(I N_杜特 )

電流噪聲的形狀取決于放大器輸入級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般來說,低頻率的噪音是平緩的,但頻率越高,噪音就越大。見圖8。最終,當(dāng)放大器在較高頻率上的增益耗盡時(shí),噪音將在-20分貝/12月發(fā)出。

電阻的電流噪音(I) n_R )

這可以從電阻E的熱電壓噪聲中計(jì)算出來。 n_R 除以電阻的阻抗,R。1M.A.B.B.B.B.大約128FA/827赫茲,10GNS.1.A./31-赫茲。

電阻器的熱電壓噪聲在頻率上是理想的平坦,直到它看到一個(gè)電容器并在-20db/DEC上滾動(dòng)。圖5顯示了10兆赫到1兆赫范圍之間的這種行為。

傳感器發(fā)出的電流噪音(I) N_源 )

傳感器本身造成電流噪聲,我們不得不忍受它.它可以有任何超過頻率的形狀。例如:一個(gè)光電二極管顯示出發(fā)射噪聲,我 元素元素 ,來自光電流,我 P ,還有暗流,我 D ,還有約翰遜的噪音,我 日本網(wǎng)址 ,來自分流阻力。 1

放大器電壓噪聲本身產(chǎn)生的電流噪聲

放大器電壓噪聲產(chǎn)生的電流噪聲 n C噪音,并在 電子藝術(shù) 霍洛維茨和希爾。 2 類似電阻將電阻電壓噪聲轉(zhuǎn)換為電流噪聲,放大器電壓噪聲E N_杜特 由總輸入電容(包括傳感器電容、板雜散電容和放大器輸入電容)轉(zhuǎn)換成電流噪聲

一開始,我們就

這個(gè)方程式告訴我們?nèi)?。首?電流噪聲隨頻率的增加而增大--這又是一個(gè)隨頻率增加而增大的電流噪聲分量。其次,放大器輸入電壓噪聲越大,電流噪聲越大。第三,總輸入電容越大,電流噪聲就越大。結(jié)果就是成績(jī)e n 在一個(gè)給定的應(yīng)用中,放大器的電壓噪聲和總輸入電容也應(yīng)該考慮。

圖12顯示了TIA應(yīng)用的電流噪聲形狀,忽略了DUT電流噪聲。平面部分主要是電阻噪聲

電容感應(yīng)電流噪聲是

增加20分貝/12月從兩個(gè)方程,交叉點(diǎn)可以計(jì)算為

圖12e n c頻率過高的噪音。

依C而定 在…中 ,e n C噪聲可以比DUT電流噪聲大或小。用于轉(zhuǎn)換配置,如TIA應(yīng)用,C 數(shù)據(jù)管理 不是自動(dòng)啟動(dòng)的;就是說,

例如,在100千赫的情況下,LTC6244 C 共拍 = 2.1 pF, C 數(shù)據(jù)管理 = 3.5 pF, and e n =8NV/N2O赫茲將有E n C的電流噪音

這比DUT目前80FA/赫茲的噪音少得多。

但是,當(dāng)一個(gè)光電二極管連接起來時(shí) 來源 或c 文件格式 加入到方程中,電流噪聲可以重新計(jì)算。它只需要來自C的16個(gè)額外電容 文件格式 等于DUT電流噪聲。高速、大面積的光電二極管一般在100至1NF之間,而高速、小面積的光電二極管則可在1pf至10pf之間。

總結(jié)

在CMOS和JFIT輸入放大器中,電流噪聲隨頻率的增加而增加的現(xiàn)象是IC設(shè)計(jì)工程師和經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)師所熟知的,但由于在該領(lǐng)域的文章太少或制造商提供的信息不完整,許多工程師都難以捉摸。本文的目的是將對(duì)當(dāng)前噪聲行為的理解建立在較高頻率域的基礎(chǔ)上,并展示一種在選擇的操作放大器上再現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的技術(shù)。