放大器噪声模型及噪声参数测试方法

1、。放大器噪声模型和噪声测量方法摘要：运算放大器是最基本、最有代表性、应用最广泛的模拟集成电路。随着集成芯片制造技术的进步和电路结构的改进，一系列用于微弱信号检测的高性能专用集成运算放大器相继问世，基于低噪声运算放大器的放大器电路得到了广泛应用。放大器的噪声水平和特性直接关系到信号检测的灵敏度和系统的整体性能，可用于电路和系统的可靠性。给出了放大器的噪声模型，介绍了几种噪声测量方法。最后，通过实验案例简要介绍了噪声应用于放大器的可靠性。关键词：放大器，噪声模型，噪声测量，可靠性1.放大器的噪声类型1运算放大器电路中有五种噪声源：散粒噪声(散粒噪声)热噪声(热噪声)闪烁噪声(闪烁噪声)突发噪声(突

2、发噪声)雪崩噪声(雪崩噪声)突发噪声和雪崩噪声通常对运算放大器电路影响很小，即使有影响，也可以消除，这在噪声分析中可以忽略。下面逐一描述各种噪声源。1.1散粒噪声散粒噪声总是与电流有关。每当电荷流过势垒(如pn结)时，导体就不再处于热平衡，这将导致散粒噪声。通过屏障的流动纯粹是随机事件，因此瞬时电流I由大量随机和独立的电流脉冲的平均值iD形成。散粒噪声通常被定义为该平均变化的均方值，其被写成：在这个公式中，q是电子电荷(1.6210-19C)，df是频率差，q iD定义为电流功率密度，单位为A2/Hz。散粒噪声是白噪声(在一定频率范围内具有恒定频谱密度的噪声信号)，其频谱是平坦的(当制作相对于

3、频率的散粒噪声曲线时，噪声值总是恒定的)，即功率密度是均匀的。此外，散粒噪声与温度无关。1.2热噪声热噪声是由导体内部载流子(电子或空穴)的不规则热运动引起的。所有无源电阻材料中都存在热噪声。热噪声也是白噪声，但它与电流无关，与绝对温度成正比。导体热噪声可以通过电压或电流模型来表征，这相当于电压源与理想的无噪声电阻串联，或者电流源与理想的无噪声电阻并联。电压噪声源和电流噪声源的均方值分别为：其中K为玻尔兹曼常数(1.3810-23J/K)，t为绝对温度，R为导体电阻(单位为)，df为频率差，4kT R和4kT/R定义为电压和电流功率密度(单位为V2/赫兹和A2/赫兹)。1.3闪烁噪声闪烁噪声也

4、称为1/f噪声，存在于所有有源器件中，有不同的原因。闪烁噪声总是与DC电流相关，其均方值记录为：在该公式中，ke和ki是合适的器件常数(分别用于电流和电压)，f是频率，df是频率差，k e 2/f和ki2/f定义为电压和电流功率密度，单位为V2/赫兹和A2/赫兹。1.4突发噪声突发噪声也称为爆米花噪声，其特征是失调电压的低幅度(随机)跳变。当通过扬声器时，这种噪音听起来像油炸爆米花的声音(频率低于100赫兹的爆裂声)。它的出现与半导体材料的缺陷和高浓度离子注入密切相关。在制造过程中使用清洁的设备可以大大降低突发噪声。1.5雪崩噪声pn结工作在反向击穿状态时会产生雪崩噪声。在pn结耗尽层强反向电

5、场的影响下，电子与晶格中的原子碰撞时，有足够的动能形成多余的电子-空穴对。这些碰撞完全是随机的，产生类似于散粒噪声的随机电流脉冲，但要大得多。不考虑各种噪声的相关性，放大器的总噪声功率是各种噪声功率的叠加。2.放大器的噪声模型放大器的噪声模型是用某种电路结构或几个参数来抽象放大器的噪声特性。该模型能够全面描述放大器的噪声特性，可以方便地应用于放大器低噪声的计算和设计。2.1嵌入式噪声模型En-In噪声模型是应用最广泛的噪声模型，适用于分析放大器的低频和宽带噪声性能。如果所有内部噪声源都等效于输入端的噪声电压源和噪声电流源，则噪声模型为：其中，En称为有效输入噪声电压，In称为有效输入噪声电流。

6、考虑不同的输入端子，模型图如下：早期的输入噪声模型没有考虑噪声源之间的相关性，因此误差可能高达30%。许建生建立了环境噪声模型与环境噪声模型之间的转换关系，证明了只有具有谱相关系数的环境噪声模型才能等价于环境噪声模型。如果考虑噪声电压源和电流源之间的复杂相关性，噪声模型图如下：其中和分别是en与in1和in2的复相关系数。在此基础上，得到了环境噪声模型和环境噪声模型之间的等价关系。2.2 rn-gn噪声模型在微波低噪声放大器的设计中，放大器的噪声性能可用Rn-gn噪声模型表示，即等效噪声电阻Rn、等效噪声导纳Gn和复相关系数Ycor=Gcor-jBcor噪声参数。Rn-Gn噪声模型也可以用放大

7、器的低噪声设计参数F0、G0和B0来表示。其中F0是源导纳Ys=Gs-jBs为最佳源导纳Y0=G0-jB0时的最小噪声系数。虽然Rn-Gn噪声模型已被广泛应用于微波放大器的低噪声设计中，但仍存在一些不足。Rn-Gn噪声模型是通过测量噪声系数F得到的，但在低频带很难直接测量F，源导纳是纯电纳，即Gs=0，当F=，噪声系数的概念不能应用；此外，Rn-Gn噪声模型不能用于宽带放大器的低噪声设计。因此，Rn-Gn噪声模型只能用于高频(微波频段)、窄带和源导纳(Gs0)条件下的放大器低噪声设计2。2.3安-Bn噪声模型当工作频率上升到微波范围时，会出现许多新的特点和问题。此时，也可以选择最可测的电压波作

8、为微波网络变量，即线性微波双端口的内部噪声可以用外部噪声波和S参数表示，即采用噪声波表示法。图中所示为基于线性双端口网络中噪声波的-BN噪声模型。图中，入射噪声波是反射噪声波，ZV是传输线的归一化复特征阻抗。在基于噪声波的An-BN模型表示方法中，每个电路元件的噪声由源自端口的波表示。对于每个产品，在端口处，噪声波是网络外部的定向相关噪声源，用于表示源自网络内部的噪声。这样，内部噪声被转换为端口3处的噪声。2.4级联电路噪声模型弗里斯定理通常用于级联电路的噪声分析，即其中：f:级联电路的噪声系数；Fi:一级电路的噪声系数；KPAi:第一级电路的功率增益。王军、戴宋轶从级联电路的输入噪声模型出发

9、，分析了弗里斯定理的局限性，描述了级联电路输入噪声的数学模型4。如下式所示。3.放大器的噪声测量放大器噪声参数的简单测试方法的原理框图如下测量系统原理框图通过改变阻抗，可以测量相应反相输入电路或非相输入电路的等效噪声功率谱密度，并通过计算得到噪声模型参数。许建生、戴给出了放大器EN-IN噪声模型的另一种参数测试方法2。测试框图如下。要测试的对象是晶体管放大器。互谱法测量放大器噪声示意图在上述测试系统中，采用互谱估计方法来降低前置放大器的噪声贡献。因为两个前置放大器由独立的电源供电，所以它们各自的噪声无关紧要。因此，它可以测量非常小的噪声值(nV/Hz)，并且在该系统中交叉谱估计的频率范围是1H

10、z100kHz。同时，在测量过程中使用了512个频谱平均值，以确保频谱估计的高精度。测量结果表明，测量系统的精度优于4%。Gino Giusi，Felice Crupi5等人提出了另一种获得放大器完全噪声性能的方法。测量原理图如下，其中OA4为待测放大器，Cstray为寄生电容，寄生电容与放大器的共模输入电容有关。OA4放大器噪声参数测量示意图该方法分为三个步骤：1)根据图中的电路，获得四个输出结果。2)交换OA3和OA4以获得输出结果。3)改变R1和R2的电阻值，保持其尺寸比例不变，得到输出结果。最后，从三个测量结果中可以计算出被测放大器的所有EN-IN噪声模型参数。将该方法用于实验，并对实

11、验结果进行了验证，证明了该方法的有效性。4.放大器可靠性的噪声表征方法随着电子器件向高性能、小尺寸和长寿命方向发展，传统寿命试验可靠性评估方法的局限性日益明显。近年来获得的大量研究结果表明，对于大多数电子设备来说，噪声是导致设备故障的各种潜在缺陷的敏感反映。噪声检测方法正以其灵敏度、通用性、快速性和非破坏性等突出优势发展成为一种新的电子设备可靠性表征工具6。用噪声来表征放大器的可靠性也在一定程度上得到了扩展。庄义奇和孙青研究了噪声用于集成运算放大器可靠性表征的可行性。提出了一种集成运算放大器参数时间漂移的1/f噪声预测方法7。寿命试验和噪声试验的结果表明，如果集成运算放大器的主要失效模式是输入

12、偏置电流或失调电流随时间的漂移，那么这种漂移与运算放大器的1/f噪声电流有很强的相关性，并且两者近似成正比。理论分析表明，这种漂移可归因于氧化陷阱对硅中电子的缓慢俘获，氧化陷阱是1/f噪声的直接来源。研究可分为以下几个步骤：1)对于一定数量的样本，测量En和In以获得每个器件的噪声频谱。2)进行加速寿命试验，以监控所有被测设备的电气参数的变化和分布。3)基于电气参数的故障分析方法比较成熟，通过数据分析发现了噪声谱与电气参数变化和分布的相关性。4)在找到相关性的基础上，对所研究的器件进行理论分析，得到相关性的理论基础。5)建立可靠性工作的定量理论模型或经验模型。最后，得到放大器参数时间漂移与1/f噪声之间的经验定量关系模型：其中，A、B和C是由实验数据确定的常数，与噪声和时间无关，但与温度有关。参考资料：1。何郑融、郑荣，运算放大器电路的噪声分析与设计。微电子学，2006。36(2)。2。许建生，等。放大器噪声模型的改进及其与噪声模型的关系。通信杂志，1998年。19(2)。周秋展，胡，张立平.微弱信号检测与估计.北京航空航天大学出版社. 2000