陳曉娟， 張新超， 姜 山， 康愛民

1.長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春130022

2.國網(wǎng)吉林供電公司，長春130022

集成運放作為實現(xiàn)低噪聲放大器的基礎(chǔ)[1]，可以用來調(diào)節(jié)和放大信號，被廣泛應(yīng)用于分立和集成電路中，在汽車電子、通信、消費等各領(lǐng)域扮演重要的角色.由于集成運放通常用于電子電路和系統(tǒng)的中間級核心部分，一旦出現(xiàn)故障將直接影響整個電路和系統(tǒng)，造成巨大的損失，因此保障其可靠性至關(guān)重要.目前集成運放的質(zhì)量和可靠性診斷多采用高溫、高壓等加速壽命測試方法，該方法需要大量的人力和物力，且對器件的損壞是不可逆的.低頻噪聲對器件的缺陷非常敏感，在具有相同電流-電壓（I-V）特性的器件中所觀察到低頻噪聲特性仍具有很大差異[2].而且低頻噪聲測量是在集成運放正常工作條件下進行的診斷測試[3]，因此可作為無損、快速、高靈敏和精確的質(zhì)量和可靠性診斷工具[4-6].

1 集成運放噪聲模型

集成運放的輸入級采用雙極型晶體管（bipolar junction transistor,BJT）、結(jié)型場效應(yīng)晶體管（junction field effect transistor,JFET）、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS）等半導(dǎo)體器件構(gòu)成的差分放大結(jié)構(gòu)，而每一個半導(dǎo)體器件都會產(chǎn)生噪聲[8].其中主要的噪聲源包括：1）熱激發(fā)引起的電荷載流子隨機運動產(chǎn)生的熱噪聲；2）具有高熱能的載流子隨機地通過正向偏置結(jié)勢壘而形成的散粒噪聲；3）由于產(chǎn)生-復(fù)合中心的存在導(dǎo)致載流子數(shù)量波動，從而引起的產(chǎn)生-復(fù)合（generation-recombination,g-r）噪聲；4）由于自由載流子被具有不同壽命的中心隨機捕獲和發(fā)射形成的表面1/f噪聲；5）由于載流子在晶格上以及雜質(zhì)上散射形成的體1/f噪聲.根據(jù)噪聲疊加原理，將影響集成運放低頻噪聲的參數(shù)疊加取平均來構(gòu)建噪聲模型.其低頻噪聲源通常有1/f噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、熱噪聲和散粒噪聲等的疊加，其功率譜密度為

式中，A為白噪聲幅值，B為1/fα噪聲幅值，α為接近1 的常數(shù)，Ci為g-r 噪聲幅值，foi為第i個g-r 噪聲的轉(zhuǎn)折頻率，N為g-r 噪聲的度量.

2 集成運放低頻噪聲測量

集成運放中的低頻噪聲屬于微弱信號，單位帶寬的噪聲電壓可低至幾個nV，噪聲電流可低至pA 級[9-10].影響低頻噪聲測量準(zhǔn)確性的因素有兩個：一個是低頻噪聲是器件內(nèi)部載流子隨機運動過程產(chǎn)生的電壓或電流，其隨機性會引起測量的隨機誤差；另一個是測量系統(tǒng)和測量環(huán)境的背景噪聲會影響測試精度[11-12].因此需要測量系統(tǒng)及測試環(huán)境的背景噪聲足夠低.本系統(tǒng)采用低噪聲放大器和低噪聲線性電源來降低測量電路所引入的本底噪聲；同時采用鎳氫電池組為整個系統(tǒng)提供電源，可杜絕由電力線引入的50 Hz 工頻干擾，基于頻率自適應(yīng)濾波器能夠有效消除因電網(wǎng)頻率變化而導(dǎo)致的相位檢測誤差[13]；最后，在整個測試系統(tǒng)外圍加上屏蔽盒，進一步減少外圍環(huán)境所引入的噪聲.其測量系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示.

2.1 偏置電路設(shè)計

由于器件的低頻噪聲是在器件正常工作條件下進行的無損測量，因此偏置電路的作用是為待測器件提供不同的偏置電壓，從而測量該偏置條件下集成運放自身的低頻噪聲[14].為了避免偏置電路中電阻等器件的熱噪聲和低頻噪聲通過后端放大電路放大，從而對整個測試系統(tǒng)的噪聲特性產(chǎn)生破壞，本文選擇三端可編程穩(wěn)壓并聯(lián)二極管組成待測集成運放的偏置電路，由鎳氫電池組為該偏置電路供電.同時，在集成運放的輸入端接入耦合電解電容進行濾波.

圖1 低頻噪聲測量系統(tǒng)框圖Figure1 Low frequency noise measurement system block diagram

圖2 偏置電路Figure2 Bias circuit

式中，Rg為R2和R3的并聯(lián)阻抗，Eg為電阻Rg的噪聲電壓；Zb為R4、R5串聯(lián)后與C1和C9并聯(lián)所構(gòu)成的阻抗，Eb為R4和R5串聯(lián)后的噪聲電壓.由式(2)可知，當(dāng)增加Rg+Zb，減小Eg和Eb時，偏置電流就會減小，當(dāng)C9很大時，偏置電路中的低頻噪聲可忽略.如圖3所示，通過Multisim 仿真得到精密電壓源輸出電壓的變化量小于5 nV，遠低于低頻噪聲的幅度，所以該設(shè)計滿足測試的要求.

圖3 偏置電路電壓噪聲Figure3 Bias circuit voltage noise

2.2 低噪聲放大電路

低噪聲放大電路是低頻噪聲測量的核心部分，為了盡可能地減小放大電路自身產(chǎn)生的噪聲[15]，本文由紋波系數(shù)極低的低噪聲線性穩(wěn)壓電源為其供電.采用現(xiàn)象穩(wěn)壓芯片LM317 產(chǎn)生可調(diào)的正電源，LM337 產(chǎn)生可調(diào)的負(fù)電源，電壓可調(diào)范圍分別為1.2～37 V 和-1.2～37 V，輸出電流均可達到1.5 A 以上.

如圖4所示，穩(wěn)壓電源的輸入端為鎳氫電池組，以正電源部分為例，電容C11、C14、C15是對電池組的濾波電容，電容C16用來提高紋波的抑制能力，C10和C13對輸出電壓進行濾波，提高輸出的穩(wěn)定性.為了進一步降低電源的紋波系數(shù)，在輸出端采用了二階無源低通濾波，取R=10 k?，C=1μF，截止頻率為15.8 Hz，濾波前電源紋波為pV 級，濾波后電源紋波下降，變?yōu)閒V 級，效果明顯.

根據(jù)測試要求，放大電路必須滿足以下要求[16]：1）必須選用低噪聲分立器件，2）滿足最佳阻抗匹配，保證前置級工作時噪聲最小.根據(jù)弗里斯公式

可知，在整個放大電路中輸入級的噪聲性能是最敏感的，并且對整個放大電路的噪聲性能影響也是最大的.

低噪聲放大器由輸入級、中間級及濾波電路3 部分組成.輸入級可以提供40 dB 的增益，中間級可以提供80 dB 的增益，濾波電路可以提供6 dB 的增益，整個電路增益為128 dB.電路設(shè)計的原理圖如圖5所示.

為了消除偏置電路的直流分量及各級電路的直流分量，本文采用高通濾波器對信號進行濾波，避免了放大器放大直流信號后產(chǎn)生運放飽和的現(xiàn)象.輸入級是由JFET 和集成運放組成的低噪聲高阻抗差分放大電路，兩個JFET 組成“單入雙出”的差分結(jié)構(gòu)，消除了零點漂移現(xiàn)象[17-20].JFET 的源極采用MOS 管組成的鏡像電流源，穩(wěn)定了JFET 的工作點.為了確保電路的穩(wěn)定性，增加了RC 相位補償電路，提高了輸入級的穩(wěn)定性.輸入級的放大倍數(shù)A=R7/R12.中間級是由同相放大電路級聯(lián)構(gòu)成的，單級放大倍數(shù)過大時，信號帶寬將會下降，影響通帶的平坦度.中間級總的放大倍數(shù)為80 dB，當(dāng)前兩級提供120 dB 的增益時，截止頻率為150 kHz，并且通帶平坦設(shè)計滿足低頻噪聲測量頻帶要求.為了減少100 kHz 以上噪聲信號對器件性能評估的影響，在放大器的輸出級設(shè)計了截止頻率為100 kHz 的二階低通有源濾波器.對其進行交流分析可得，它不僅可以濾除高于100 kHz 的信號，而且可以提供6 dB的增益.

圖4 低噪聲線性穩(wěn)壓電源Figure4 Low noise linear stabilized voltage power

3 實驗驗證

3.1 放大電路交流分析

如圖6所示，當(dāng)前兩級提供120 dB 的增益時，截止頻率為150 kHz，并且通帶平坦設(shè)計滿足低頻噪聲測量頻帶要求.

3.2 放大電路噪聲分析

采用頻譜分析儀對低噪聲放大電路的噪聲測量，其結(jié)果如圖7所示.從圖中可以看出，在1 kHz 處，輸入噪聲頻譜密度為4.3×10-17V2/Hz.在小于100 kHz 的頻帶內(nèi)，輸入噪聲功率譜密度平坦，平均輸入噪聲功率譜密度接近4×10-18V2/Hz.

3.3 集成運放AD711 低頻噪聲測量

圖6 放大電路增益-帶寬圖Figure6 Gain-bandwidth diagram of the amplifier circuit

圖7 雙對數(shù)坐標(biāo)下放大電路噪聲功率譜密度Figure7 Log-log coordinates lower the power spectral density of large circuit noise

為了驗證所設(shè)計的低頻噪聲測量系統(tǒng)，對AD 公司設(shè)計集成運算放大器AD711 進行低頻噪聲測量，得到其功率譜密度如圖8所示；表1給出了本文所提出的測試系統(tǒng)以及商用儀器在特殊點處測得的低頻噪聲功率譜密度數(shù)據(jù)，測量相對誤差為0.039.

圖8 集成運放AD711 低頻噪聲功率譜密度Figure8 Integrated operational amplifier AD711 low frequency noise power spectral density

4 結(jié) 語

本文建立了集成運算放大器的低頻噪聲模型，完成了低頻噪聲測量系統(tǒng)的偏置電路、電源電路和放大電路的搭建，其中放大電路可提供126 dB 的增益和150 kHz 的帶寬.通過實際的AD711 集成運放的低頻噪聲測量，得到其時間序列和功率譜密度曲線.通過對特殊頻率點處測量的低頻噪聲數(shù)據(jù)提取并與商用儀器所測數(shù)據(jù)的對比可得，本設(shè)計的低頻噪聲測試系統(tǒng)測量相對誤差為0.039，本設(shè)計的低頻噪聲測量系統(tǒng)為集成運算放大器低頻噪聲的測量提供了有效方法.

表1 特殊點低頻噪聲功率譜密度Table1 Special point low frequency noise power spectral density