1、在 本 系 列 的 第 三 部 分 ， 我 们 对 简 单 的 运 算 放 大 器 电 路 进 行 了 实 际 分 析 。 在 本 部 分 中 ， 我们 将 采 用 所 谓 “TINA SPICE” 电 路 模 拟 套 件 来 分 析 运 算 放 大 器 电 路 。 （ 您 可 在 TI 网 站 上 通 过 输 入 TINA 搜 索 ， 获 得 TINA SPICE 的 免 费 版 TINA-TI） 。 TINA SPICE 能 够 就 SPICE 套 件 进 行 传 统 类 型 的 模 拟 （ 如 dc、 瞬 态 、 频 率 域 分 析 、 噪 声 分 析等 ） 。 此 外 ， TINA-T
2、I 还 配 有 众 多 TI 模 拟 宏 模 型 。 在 本 部 分 ， 我 们 将 介 绍 TINA 噪 声 分 析 以 及 如 何 证 明 运 算 放 大 器 的 宏 模 型 能 准 确 对 噪 声 进行 建 模 。 重 要 的 是 ， 我 们 应 当 了 解 ， 有 些 模 型 可 能 不 能 对 噪 声 做 适 当 建 模 。 为 此 ， 我 们 可以 用 一 个 简 单 的 测 试 步 骤 来 加 以 检 查 ， 并 通 过 用 分 离 噪 声 源 和 通 用 运 算 放 大 器 开 发 自 己 的模 型 来 解 决 这 一 问 题 。 测 试 运 算 放 大 器 噪 声 模 型 的
3、 准 确 性 图 4.1 显 示 了 用 于 确 认 运 算 放 大 器 噪 声 模 型 准 确 性 的 测 试 电 路 。 CCV1 是 一 种 流 控 电 压 源 ，我 们 用 它 来 将 噪 声 电 流 转 换 为 噪 声 电 压 。 之 所 以 要 进 行 这 种 转 换 ， 是 因 为 TINA 中 的 “输出 噪 声 分 析 ”需 要 对 噪 声 电 压 进 行 严 格 检 查 。 CCV1 的 增 益 必 须 如 图 所 示 设 为 1， 这 样 电流 就 能 直 接 转 换 为 电 压 。 运 算 放 大 器 采 用 电 压 输 出 器 配 置 ， 这 样 输 出 就 能 反
4、映 输 入 噪 声 情况 。 TINA 能 够 识 别 到 两 个 输 出 测 量 节 点 “voltage_noise” 与 “current_noise”， 它 们 用 于生 成 噪 声 图 。 由 于 TINA 需 要 输 入 源 才 能 进 行 噪 声 分 析 ， 因 此 我 们 添 加 了 信 号 源 VG1。我 们 将 此 信 号 源 配 置 成 正 弦 曲 线 ， 但 这 对 噪 声 分 析 并 不 重 要 （ 见 图 4.2） 。 图 4.1： 配 置 噪 声 测 试 电 路 （ 设 置 CCV1 增 益 为 1） 图 4.2： 配 置 噪 声 测 试 电 路 （ 设 置 信
5、号 源 VG1） 随 后 ， 我 们 可 从 下 来 菜 单 中 选 择 “分 析 噪 声 分 析 ”（ 如 图 4.3 所 示 ） ， 进 行 噪 声 分 析 ， 这将 生 成 噪 声 分 析 表 。 然 后 输 入 需 要 的 起 始 和 终 止 频 率 。 该 频 率 范 围 由 受 测 试 的 运 算 放 大 器的 规 范 决 定 。 就 本 例 而 言 ， OPA227 的 规 范 要 求 频 率 范 围 为 0.1 Hz 10 kHz， 也 就 是 说 ，这 就 是 适 合 本 例 的 频 率 范 围 。 随 后 ， 在 “图 表 ” 项 下 选 择 “输 出 噪 声 ” 选 项
6、， 便 可 针 对 电路 中 每 个 测 量 节 点 （ 仪 表 ） 生 成 不 同 的 频 谱 密 度 曲 线 。 这 样 ， 我 们 进 行 分 析 时 ， 就 能 获 得两 个 频 谱 密 度 曲 线 图 ， 一 个 是 针 对 “电 压 噪 声 ”节 点 ， 另 一 个 则 是 针 对 “电 流 噪 声 ” 节 点 。图 4.3： 执 行 “噪 声 分 析 ” 选 项 图 4.4 显 示 了 噪 声 分 析 的 结 果 。 我 们 可 用 一 些 简 单 的 方 法 来 将 曲 线 转 换 为 更 有 用 的 形 式 。首 先 ， 我 们 点 击 “视 图 ” 菜 单 下 的 “曲 线
7、 分 离 ”， 随 后 ， 再 点 击 Y 轴 并 选 择 “对 数 ” 标 度 。根 据 适 当 范 围 设 置 上 下 限 （ 四 舍 五 入 到 10 的 N 次 幂 ） 。 点 数 调 节 为1+Number_of_Decades。 在 本 例 中 ， 我 们 有 三 个 十 倍 频 程 （ 即 100f 100p） ， 因 此 ，我 们 需 要 四 点 （ 见 图 4.5） 。 图 4.4： 转 变 为 更 有 用 的 格 式 的 简 单 方 法 （ 曲 线 分 离 ） 图 4.5： 转 变 为 更 有 用 的 格 式 的 简 单 方 法 （ 变 为 对 数 标 度 ） 我 们 将
8、模 拟 结 果 与 图 4.6 中 的 OPA227 数 据 表 相 比 较 。 请 注 意 ， 二 者 几 乎 相 同 。 这 就是 说 ， OPA227 的 TINA-TI 模 型 能 准 确 进 行 噪 声 建 模 。 我 们 对 OPA627 模 型 也 采 用 与上 述 相 同 的 步 骤 ， 图 4.7 显 示 了 测 试 结 果 ， 发 现 OPA627 模 型 没 能 通 过 测 试 。OPA627 模 型 的 电 流 噪 声 频 谱 密 度 约 为 3.5E-21A/rt-Hz， 而 规 范 要 求 则 为 2.5E-15A/rt-Hz。 此 外 ， 模 型 中 的 电 压
9、噪 声 未 体 现 l/f 区 。 下 面 ， 我 们 将 为 这 款 运 算 放 大 器 建 模 ， 实现 适 当 的 噪 声 建 模 。 图 4.6： OPA227 通 过 建 模 测 试 图 4.7： OPA627 未 通 过 建 模 测 试 建 立 自 己 的 噪 声 模 型 在 第 二 部 分 中 ， 我 们 曾 介 绍 过 运 算 放 大 器 噪 声 模 型 ， 它 包 括 运 算 放 大 器 、 电 压 噪 声 源 和 电流 噪 声 源 。 我 们 将 用 分 离 噪 声 源 和 通 用 运 算 放 大 器 来 构 建 这 一 噪 声 模 型 。 模 拟 与 Rf 模型 (Ana
10、log & Rf models) 公 司 的 Bill Sands 为 TI 开 发 了 分 离 噪 声 源 。 您 可 从 TI 网 站 下 载 这 种 噪 声 源 ， 只 需 搜 索 “TINA-TI 应 用 原 理 图 ” 并 查 找 “噪 声 分 析 ”文 件夹 即 可 。 我 们 还 在 附 录 4.1 和 4.2 中 给 出 了 “ TINA 宏 ”列 表 。 图 4.8 显 示 了 用 于 创 建 噪 声 模 型 的 电 路 。 请 注 意 ， 这 就 是 我 们 此 前 使 用 的 测 试 电 路 配 置 。该 电 路 配 置 中 有 一 个 连 接 在 输 入 端 之 间
11、的 电 流 噪 声 源 。 严 格 地 说 ， 实 际 上 有 两 个 电 流 噪 声源 。 不 过 ， 我 们 从 产 品 说 明 书 很 难 说 清 楚 这 些 信 号 源 之 间 的 相 互 关 系 。 而 且 ， 在 电 流 反 馈放 大 器 中 这 些 信 号 源 的 信 号 幅 度 不 同 。 我 们 在 以 后 的 文 章 中 将 更 详 细 地 探 讨 上 述 问 题 。 我们 将 对 电 路 加 以 定 制 ， 以 便 对 OPA627 的 噪 声 特 点 进 行 适 当 建 模 。 图 4.8： 采 用 分 离 噪 声 源 的 运 算 放 大 器 噪 声 模 型 图 4.9
12、： 进 入 宏 以 配 置 噪 声 电 压 源 图 4.10： 输 入 1/f 区 数 据 随 后 ， 我 们 应 输 入 宽 带 噪 声 频 谱 密 度 ， 这 里 要 用 到 NVR 参 数 。 请 注 意 ， 由 于 宽 带 噪 声强 度 就 所 有 频 率 而 言 都 是 一 样 的 ， 因 此 这 里 不 需 要 输 入 频 率 （ 见 图 4.11） 。 输 入 噪 声 信息 之 后 ， 我 们 必 须 编 辑 并 关 闭 SPICE 文 本 编 辑 器 。 点 击 “校 验 框 ”， 注 意 到 状 态 栏 会 显 示 “编 辑 成 功 ” 消 息 。 在 “文 件 ” 菜 单
13、下 选 择 “关 闭 ”， 返 回 原 理 图 编 辑 器 （ 见 图 4.12） 。 图 4.11： 输 入 宽 带 区 数 据 我 们 对 电 流 噪 声 源 也 要 采 取 相 同 步 骤 。 就 此 示 例 来 说 ， 电 流 源 没 有 1/f 噪 声 。 这 时 ， 宽带 频 谱 密 度 和 1/f “.PARAM” 均 设 为 2.5fA/rt-Hz。 1/f 频 率 通 常 设 为 非 常 低 的 频 率 ， 如 0.001Hz （ 见 图 4.13） 。 图 4.12： 编 辑 “宏 ” 并 “关 闭 ” 图 4.13： 输 入 电 流 噪 声 源 数 据 现 在 ， 我 们
14、 对 两 种 噪 声 源 都 进 行 了 适 当 配 置 ， 接 下 来 就 要 编 辑 通 用 运 算 放 大 器 模 型 中 的 一些 AC 参 数 了 。 具 体 说 来 ， 必 须 输 入 开 环 增 益 和 主 导 极 点 ， 因 为 它 们 会 影 响 放 大 器 的 闭环 带 宽 ， 反 过 来 闭 环 带 宽 又 会 影 响 电 路 的 噪 声 特 性 。 开 环 增 益 在 数 据 表 中 通 常 采 用 dB 为 单 位 。 我 们 可 用 方 程 式 4.1 将 dB 转 换 为 线 性 增 益 。 我 们 还 可 用 方 程 式 4.2 来 计 算 Aol 曲 线 中
15、的 主 导 极 点 。 例 4.1 就 OPA627 进 行 了 主 导 极 点 计 算 。 图 4.14 给 出 了 主导 极 点 的 图 示 。 方 程 式 4.1： 将 dB 转 化 为 线 性 增 益 方 程 式 4.2： 计 算 主 导 极 点 例 4.1： 查 找 OPA627 的 线 性 开 环 增 益 和 主 导 极 点 图 4.14： 增 益 主 导 极 点 与 频 率 关 系 图 下 面 ， 我 们 应 编 辑 通 用 运 算 放 大 器 模 型 ， 其 中 包 括 开 环 增 益 和 主 导 极 点 。 只 需 双 击 运 算 放大 器 标 志 并 按 下 “类 型 ”
16、按 钮 即 可 ， 这 将 启 动 “目 录 编 辑 器 ”。 在 “目 录 编 辑 器 ”中 ， 我 们 要修 改 “开 环 增 益 ”以 匹 配 于 我 们 在 例 4.1 中 计 算 所 得 的 结 果 。 图 4.15 概 述 了 相 关 步 骤 。 图 4.15： 编 辑 通 用 运 算 放 大 器 现 在 ， 运 算 放 大 器 的 噪 声 模 型 已 经 构 建 完 毕 。 图 4.16 显 示 了 模 型 上 运 行 测 试 的 过 程 及 结果 。 正 如 我 们 所 期 望 的 那 样 ， 新 模 型 与 数 据 表 刚 好 匹 配 。 图 4.16： “手 工 构 建 的
17、 ”新 模 型 顺 利 通 过 模 型 测 试 用 TINA 分 析 第 三 部 分 中 的 电 路 图 4.17 显 示 了 采 用 Tina SPICE 的 OPA627 建 模 原 理 图 。 请 注 意 ， 第 四 部 分 讨 论 了 通过 用 分 离 噪 声 源 和 通 用 运 算 放 大 器 开 发 自 己 的 模 型 来 对 噪 声 进 行 适 当 建 模 的 方 法 ， 此 外 ，电 阻 Rf 和 R1 匹 配 于 第 三 部 分 中 的 示 例 电 路 。 图 4.17： OPA627 电 路 示 例 我 们 可 从 下 来 菜 单 中 选 择 “分 析 噪 声 分 析 ”，
18、 进 行 Tina SPICE 噪 声 分 析 ， 这 将 生 成 噪 声分 析 表 。 我 们 可 在 噪 声 分 析 表 上 选 择 “输 出 噪 声 ” 和 “总 噪 声 ”选 项 。 “输 出 噪 声 ” 选 项 将针 对 所 有 测 试 点 （ 即 带 仪 表 的 节 点 ） 生 成 噪 声 频 谱 密 度 图 。 “总 噪 声 ”将 生 成 功 率 谱 密 度 曲线 图 积 分 结 果 。 我 们 可 通 过 总 噪 声 曲 线 明 确 电 路 的 均 方 根 输 出 噪 声 电 压 。 图 4.18 显 示了 如 何 执 行 噪 声 分 析 。 图 4.18： 运 行 噪 声 分
19、 析 图 4.19 和 图 4.20 显 示 了 TINA 噪 声 分 析 的 结 果 。 图 4.19 给 出 了 放 大 器 输 出 处 的 噪声 频 谱 密 度 （ 即 输 出 噪 声 ） 。 该 曲 线 结 合 了 所 有 噪 声 源 ， 并 包 括 噪 声 增 益 的 效 果 和 噪 声 带宽 。 图 4.20 显 示 了 给 定 带 宽 下 放 大 器 输 出 处 的 总 噪 声 。 我 们 也 可 以 求 功 率 频 谱 密 度 曲 线的 积 分 （ 即 电 压 频 谱 密 度 的 平 方 ） ， 从 而 推 导 出 该 曲 线 。 请 注 意 ， 该 曲 线 在 高 频 下 为
20、 常 量 ，即 323uVrms。 这 一 结 果 与 第 三 部 分 中 计 算 得 出 的 均 方 根 噪 声 相 匹 配 （ 我 们 计 算 所 得 的 噪声 为 324uV） 。 还 要 注 意 ， 该 噪 声 为 常 量 ， 这 是 由 于 运 算 放 大 器 的 带 宽 限 制 使 然 。 图 4.19： 输 出 噪 声 图 结 果 图 4.20： 总 噪 声 图 结 果 本 文 总 结 和 下 文 内 容 提 要 在 本 文 中 ， 我 们 介 绍 了 称 作 TINA SPICE 的 电 路 模 拟 套 件 。 我 们 用 TINA 开 发 了 一 套 简单 的 测 试 步 骤
21、 来 检 查 运 算 放 大 器 模 型 是 否 可 以 准 确 对 噪 声 进 行 建 模 。 在 某 些 情 况 下 ， 有 的模 型 不 能 通 过 测 试 ， 因 此 ， 我 们 就 用 分 离 噪 声 源 和 通 用 运 算 放 大 器 开 发 出 了 我 们 自 己 的 模型 。 我 们 还 用 TINA 来 计 算 第 三 部 分 实 际 分 析 中 所 用 的 示 例 电 路 的 噪 声 。 在 第 五 部 分 ，我 们 将 分 析 测 试 噪 声 的 方 法 ， 特 别 是 要 对 此 前 章 节 中 的 噪 声 计 算 结 果 进 行 物 理 测 量 。 致 谢 ! 特 别
22、 感 谢 以 下 TI 人 员 提 供 的 技 术 意 见 ：Rod Bert， 高 级 模 拟 IC 设 计 经 理 ；Bruce Trump， 线 性 产 品 经 理 ；Tim Green， 应 用 工 程 设 计 经 理 ；Neil Albaugh， 高 级 应 用 工 程 师 ；Bill Sands， 模 拟 与 Rf 模 型 (Analog & Rf models) 公 司 技 术 顾 问 ； 参 考 书 目 1.)Robert V. Hogg 与 Elliot A Tanis 共 同 编 著 的 概 率 与 统 计 推 断 ， 第 三 版 ， 麦 克 米兰 出 版 公 司 (Mac
23、millan Publishing Co.) 出 版 ； 2.)C. D. Motchenbacher 与 J. A. Connelly 共 同 编 著 的 低 噪 声 电 子 系 统 设 计 ，Wiley-Interscience Publication 出 版 。 关 于 作 者 ： Arthur Kay 是 TI 的 高 级 应 用 工 程 师 。 他 专 门 负 责 传 感 器 信 号 调 节 器 件 的 支 持 工 作 。 他 于 1993 年 毕 业 于 佐 治 亚 理 工 学 院 (Georgia Institute of Technology)， 并 获 得 电 子 工 程 硕
24、 士学 位 。 附 录 4.1： 电 压 噪 声 宏 * BEGIN PROG NSE NANO VOLT/RT-HZ .SUBCKT VNSE 1 2 * BEGIN SETUP OF NOISE GEN - NANOVOLT/RT-HZ * INPUT THREE VARIABLES * SET UP VNSE 1/F * NV/RHZ AT 1/F FREQ .PARAM NLF=15 * FREQ FOR 1/F VAL .PARAM FLW=10 * SET UP VNSE FB * NV/RHZ FLATBAND .PARAM NVR=4.5 * END USER INPUT *
25、START CALC VALS .PARAM GLF=PWR(FLW,0.25)*NLF/1164 .PARAM RNV=1.184*PWR(NVR,2) .MODEL DVN D KF=PWR(FLW,0.5)/1E11 IS=1.0E-16 * END CALC VALS I1 0 7 10E-3 I2 0 8 10E-3 D1 7 0 DVN D2 8 0 DVN E1 3 6 7 8 GLF R1 3 0 1E9 R2 3 0 1E9 R3 3 6 1E9 E2 6 4 5 0 10 R4 5 0 RNV R5 5 0 RNV R6 3 4 1E9 R7 4 0 1E9 E3 1 2
26、3 4 1 C1 1 0 1E-15 C2 2 0 1E-15 C3 1 2 1E-15 .ENDS END PROG NSE NANOV/RT-HZ 附 录 4.2： 电 流 噪 声 宏 * BEGIN PROG NSE FEMTO AMP/RT-HZ .SUBCKT FEMT 1 2 * BEGIN SETUP OF NOISE GEN - FEMPTOAMPS/RT-HZ * INPUT THREE VARIABLES * SET UP INSE 1/F * FA/RHZ AT 1/F FREQ .PARAM NLFF=2.5 * FREQ FOR 1/F VAL .PARAM FLWF
27、=0.001 * SET UP INSE FB * FA/RHZ FLATBAND .PARAM NVRF=2.5 * END USER INPUT * START CALC VALS .PARAM GLFF=PWR(FLWF,0.25)*NLFF/1164 .PARAM RNVF=1.184*PWR(NVRF,2) .MODEL DVNF D KF=PWR(FLWF,0.5)/1E11 IS=1.0E-16 * END CALC VALS I1 0 7 10E-3 I2 0 8 10E-3 D1 7 0 DVNF D2 8 0 DVNF E1 3 6 7 8 GLFF R1 3 0 1E9 R2 3 0 1E9 R3 3 6 1E9 E2 6 4 5 0 10 R4 5 0 RNVF R5 5 0 RNVF R6 3 4 1E9 R7 4 0 1E9 G1 1 2 3 4 1E-6 C1 1 0 1E-15 C2 2 0 1E-15 C3 1 2 1E-15 .ENDS * END PROG NSE FEMTO AMP/RT-HZ
