测试并分析FET输入电流中的电流噪声

IC设计工程师和电路设计师都知道电流噪声随频率增加这一现象,但由于现场文章太少或制造商提供的信息不完整,许多工程师都难以捉摸。

许多半导体制造商的数据表,包括ADI的数据表,在规格表中指定放大器的当前噪声,通常频率为1千赫兹。目前的噪音规范来自哪里并不总是很清楚。它是被测量的还是理论的?一些制造商在计算这个数字时是透明的

所谓的弹射噪声方程。从历史上看,阿迪通过这种方式提供了大多数当前的噪音数据。这个计算的数字对每一个放大器都能保持1千赫兹吗?

在过去的几年里,人们越来越关注放大器中目前频率过高的噪音。一些客户--以及制造商--假设FET输入的电流噪声与双极输入放大器类似--例如,1/F或闪烁噪声组件和平面宽带组件,如图1所示。在FET输入安培中,情况并非如此;相反,在图2中,它看起来像是一种奇怪的噪声形状,不为人所知,在许多模拟模型中被忽略。

图1电流噪音 AD8099 一种双极输入放大器。

图2一种FET输入放大器AD8065的电流噪声。

测量装置是关键

在我们了解为什么会发生这种情况之前,让我们来看看测量设置。需要一种易于复制、可靠的测量方法,以便在许多不同的部分重复测量。

可使用DC417B单放大器评估板。被测设备(DUT)的电源必须是低噪声和低漂移的。线性供应是首选的开关供应，因此任何供应变化，如开关工件，不会增加测量。LT3045和LT3094，正、负超高PSRR，超低噪声线性调节器，可用于进一步减少来自线性供应的纹波。使用LT3045和LT3094，一个电阻可用于配置高达+15 V和-15V的任何输出电压。这两个部分是低噪声测量的理想台式电源。

Figure 3. Measurement setup.

在不逆变的杜特针上,用一个10GU型SMT电阻将电流噪声转换为电压噪声。FET输入电流的典型偏置电流约为1帕,等于0.57法/赫兹。

如果方程

是正确的。10G源阻抗热噪声

这给了我们测量电流噪声的地面

它可以在后处理中减去。然而,如果电阻电流噪声控制了DUT的电流噪声,则无法精确测量。因此,我们需要一个至少为10gc的电阻值来查看一些噪声。100M源阻抗热噪声大约为1.28VV/N2O赫兹,不足以区分DUT和电阻噪声。噪音,如果不相关,增加根和平方(rss)时尚。图4和表1显示了RSS对两个数字比率的影响。N:N约增加41%,N:N/2约增加12%,N:N/3约增加5.5%,N:N/5约为2%。如果有足够的平均值,我们可能可以提取约10%(0.57FA/N2O赫兹和1.28FA/N2O赫兹rss)。

图4基于两个数字的比例的RSS加成。

图5显示安装装置的电压噪音密度 AD8065 ,一个145兆赫的FET输入点放大器,共模输入阻抗为2.1pf。在10个G817电阻热噪声为12.8V/NS赫兹,直到输入电容连同板和插座杂散电容滚出电压噪声。理想的情况是,这将继续滚动在-20db/Dec,但曲线开始改变形状在100赫兹左右,平缓在100千赫兹左右。怎么回事?我们的直觉告诉我们,唯一的方法是提供+20db/dc斜率来阻止-20db/dc滚转并造成平坦度。罪魁祸首是电流噪声,在+20分贝/DEC斜率的较高频率下增加。

图5输出量指电压噪声密度.

可使用SR685动态信号分析仪或FFT仪器来测量输出电压噪声,但最好使用不超过7NV/N2O赫兹的噪声底板。当DUT滚转器的输出电压噪声接近20NV/N2O赫兹至30NV/N2O赫兹时,我们希望分析仪地板的噪音增加尽可能少的噪音。三倍的比例只增加约5.5%.我们可以在噪声域中使用5%的错误(参见图4)。

参数是反计算的

用这种方法测量,在一次测量中得到了绘制电流噪声所需的两个主要参数。首先,我们得到了总输入电容--即,杂散电容和输入电容--这是反向计算滚转所必需的。即使有走散电容,信息也被捕获。输入电容控制在10个G型电阻上.总阻抗将电流噪声转化为电压噪声。因此,了解总输入电容是很重要的。其次,它显示了电流噪声在哪里开始占主导地位--也就是说,从哪里开始偏离--20db/DEC斜率。

让我们看看图5中的数据示例。3分贝滚转点的读数为2.1赫兹,相当于

输入时的电容。数据表中提到,共模输入电容只有大约2.1伏安,这意味着有大约5.5伏安的杂散电容。差动模式输入电容是由负反馈束缚的,所以它在低频率下不会真正发挥作用。图6显示电流噪声的阻抗,具有7.6pp电容。

图6总阻抗大小为10个G场电阻和7.6个Pp输入电容并行.

用在AD8065(图5)上测量的上述输出(RTO)电压噪声除以阻抗和阻抗。频率(图6)给出了AD8065和10G型电阻组合在RSS中的等效电流噪声(图7)。

图7AD8065型和10型格维电阻的rti电流噪声。

在去除了10GDH的当前噪声后,AD8065的输入参考噪声如图8所示。低于10赫兹,这是非常模糊的,因为我们正试图从1.28FA/N2O赫兹(在RSS尺度上的10%)中找出0.5FA/827赫兹至0.6FA/N2O赫兹的数据,而且只得出了100个平均值。在15兆赫至1.56兆赫之间,有400条具有4兆赫带宽的线路。平均每人256秒!平均100小时256秒是25600秒,略高于7小时。为什么要测量到15兆赫,为什么要花费那么多时间?输入电容10pp与10gn产生一个低通滤波器的1.6赫兹。低噪声FET放大器具有大的输入电容,最高可达20伏安,使3分贝点在0.8赫兹。为了正确测量3分贝点,我们需要在10年前看到--即降至0.08赫兹(或80兆赫)。

如果我们看到10赫兹以下的模糊线,0.6FA/N2O赫兹通过

是可以核实的。这个公式对于电流噪声来说并不完全错误.在一阶近似下,由于电流密度值是通过直流输入偏置电流得到的,所以它仍然显示了该部件的低频电流噪声行为。然而,在高频情况下,电流噪声并不遵循这个公式。

图8全球广播电视网当前的噪音AD8605。

在频率较高的情况下,DUT电流噪声对电阻电流噪声的影响显著,电阻噪声可以忽略。图9显示了各种FET输入放大器的输入参考电流噪声,其值为10G阶,用图3所示的设置测量。在100千赫的情况下,100FA/N2O赫兹似乎是大多数精密放大器的典型性能。

图9选定的阿迪放大器的rti电流噪声。

有例外: LTC6268 / LTC6269 目前100千赫时的噪音为5.6FA/N2O赫兹。这些部件非常适合高速TIA应用,其中需要高带宽,低输入电容,飞安级偏置电流。

图10输入量参考电流噪声LTC6268。

这就是FET输入安培中的所有电流噪声吗?

在高源阻抗应用中,有四种主要的电流噪声源对总输入电流噪声有贡献。图11显示了一个具有主要噪声源的简化TIA放大器。 MT-050 是操作放大器噪声源的良好参考。

图11具有主要噪声源的简化TIA放大器。

FET输入放大器发出的电流噪音(I N_杜特 )

电流噪声的形状取决于放大器输入级拓扑结构。一般来说,低频率的噪音是平缓的,但频率越高,噪音就越大。见图8。最终,当放大器在较高频率上的增益耗尽时,噪音将在-20分贝/12月发出。

电阻的电流噪音(I) n_R )

这可以从电阻E的热电压噪声中计算出来。 n_R 除以电阻的阻抗,R。1M.A.B.B.B.B.大约128FA/827赫兹,10GNS.1.A./31-赫兹。

电阻器的热电压噪声在频率上是理想的平坦,直到它看到一个电容器并在-20db/DEC上滚动。图5显示了10兆赫到1兆赫范围之间的这种行为。

传感器发出的电流噪音(I) N_源 )

传感器本身造成电流噪声,我们不得不忍受它.它可以有任何超过频率的形状。例如:一个光电二极管显示出发射噪声,我 元素元素 ,来自光电流,我 P ,还有暗流,我 D ,还有约翰逊的噪音,我 日本网址 ,来自分流阻力。 1

放大器电压噪声本身产生的电流噪声

放大器电压噪声产生的电流噪声 n C噪音,并在 电子艺术 霍洛维茨和希尔。 2 类似电阻将电阻电压噪声转换为电流噪声,放大器电压噪声E N_杜特 由总输入电容(包括传感器电容、板杂散电容和放大器输入电容)转换成电流噪声

一开始,我们就

这个方程式告诉我们三件事。首先,电流噪声随频率的增加而增大--这又是一个随频率增加而增大的电流噪声分量。其次,放大器输入电压噪声越大,电流噪声越大。第三,总输入电容越大,电流噪声就越大。结果就是成绩e n 在一个给定的应用中,放大器的电压噪声和总输入电容也应该考虑。

图12显示了TIA应用的电流噪声形状,忽略了DUT电流噪声。平面部分主要是电阻噪声

电容感应电流噪声是

增加20分贝/12月从两个方程,交叉点可以计算为

图12e n c频率过高的噪音。

依C而定 在…中 ,e n C噪声可以比DUT电流噪声大或小。用于转换配置,如TIA应用,C 数据管理 不是自动启动的;就是说,

例如,在100千赫的情况下,LTC6244 C 共拍 = 2.1 pF, C 数据管理 = 3.5 pF, and e n =8NV/N2O赫兹将有E n C的电流噪音

这比DUT目前80FA/赫兹的噪音少得多。

但是,当一个光电二极管连接起来时 来源 或c 文件格式 加入到方程中,电流噪声可以重新计算。它只需要来自C的16个额外电容 文件格式 等于DUT电流噪声。高速、大面积的光电二极管一般在100至1NF之间,而高速、小面积的光电二极管则可在1pf至10pf之间。

总结

在CMOS和JFIT输入放大器中,电流噪声随频率的增加而增加的现象是IC设计工程师和经验丰富的电路设计师所熟知的,但由于在该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整,许多工程师都难以捉摸。本文的目的是将对当前噪声行为的理解建立在较高频率域的基础上,并展示一种在选择的操作放大器上再现测量结果的技术。