运算放大器电路的固有噪声分析与测量

第四部分：SPIC 噪声分析介绍

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，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 (Analog & Rf models) 公司的Bill Sands为 TI 开发了分离噪声源。您可从 TI 网站 www.ti.com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 首先，我们应配置噪声电压源。这只需在噪声源上右击并选择 "进入宏 "即可（见图4.9）。进入"宏"后，弹出文本编辑器，为SPICE宏模型给出了源列表