运算放大器电路固有噪声的分析与测量（八）

第八部分：爆米花噪声（一）

本文将讨论如何测量并辨别爆米花噪声；以及相对于1/f 及宽带噪声的幅度；还有对爆米花噪声特别敏感的诸多应用。

1/f 和宽带噪声的回顾

讨论爆米花噪声以前，对时域和宽带及1/f噪声的统计表示法进行回顾是非常有帮助的。1/f 和宽带噪声均具有高斯分布的特点。此外，在一个特定设计中，这些噪声类型都是一贯的并且是可以预见的。到目前为止，我们已经从本文中了解了如何通过计算和仿真（图 1－2）来预测噪声级别。但是，这些方法均不能用于测量爆米花噪声。 

 

图 8.1 宽带噪声——时域及柱状图 
 
图 8.2 1/f 噪声——时域及柱状图
何谓爆米花噪声
爆米花噪声是一种在双极晶体管基极电流中的突然阶跃或跳跃，或 FET 晶体管阈值电压中的一种阶跃。之所以将其称为爆米花噪声，是因为当通过扬声器播放出来时其听起来类似爆米花的声音。这种噪声也被称为猝发噪声和随机电报信号 (RTS)。爆米花噪声出现在低频率（通常为 f < 1kHz）下。每秒钟可以发生数次猝发，在极少数情况下，可能数分钟才发生。

图 8.3 显示了时域中的爆米花噪声及其相关的统计分布情况。需要注意的是，噪声级别的不同跳跃与分布峰值相对应。很明显，该分布情况与非高斯爆米花噪声相关。实际上，本例中显示的分布情况为三条放置于彼此顶部的高斯曲线（三模分布）。出现这种情况的原因是，本例中的爆米花噪声具有三个离散电平。各猝发间的噪声为宽带和 1/f 噪声的组合。因此，该噪声由三个不同的 1/f 及宽带噪声高斯分布组成，而 1/f 及宽带噪声又被爆米花噪声转换为不同的电平。 

 
图 8.3爆米花噪声时域及柱状图

爆米花噪声的起因

人们认为，爆米花噪声是由电荷陷阱或半导体材料中的微小缺陷引起的。我们已经知道重金属原子污染是引起爆米花噪声的原因。在失效分析时，专家通常会对具有较多爆米花噪声的器件进行仔细的检查。失效分析将查找会引起爆米花噪声的微小缺陷。图 8.4 显示了如何将一个正常晶体管与一个带有晶体缺陷的晶体管进行对比。 


 

图 8.4 正常晶体管与带有晶体缺陷的晶体管的比较

这种问题的普遍程度如何？

爆米花噪声与那些在半导体制造期间出现的问题有关系。对许多现代工艺而言，爆米花噪声的出现相对要少一些。一般而言，爆米花噪声取决于不同的“批次”，即一些批次没有爆米花噪声，而其他批次可能会有一点。一批特别差的半导体可能会有百分之五的器件具有爆米花噪声。在许多情况下，我们都可以找出引起爆米花噪声的制造技术问题。

爆米花噪声——究竟是电流噪声还是电压噪声？

在双极晶体管中，爆米花噪声以基极电流的一个阶跃变化形式出现。因此，双极运算放大器爆米花噪声通常表现为偏置电流噪声。由于这一原因，双极放大器中的爆米花噪声可能仅在高源阻抗应用中出现。

在具有 JFET 输入放大器的双极运算放大器中，偏置电流噪声通常不是个问题。在一些情况下，一个内部级双极晶体管将会产生爆米花噪声。这种爆米花噪声表现为电压噪声。

一般而言，MOSFET 放大器往往不总是产生爆米花噪声。MOSFET 晶体管中的爆米花噪声表现为阈值电压的一个阶跃。在运算放大器中，其将表现为电压噪声。

电压爆米花噪声的试验台测试及生产测试

在本文中，我们将讨论如何实施爆米花噪声的试验台测试和生产测试。试验台测试是小批量样片器件测试工程实验室中的一种测试方法。生产测试是使用自动化测试设备对大批量器件进行测试的一种测试方法。这两种测试方法之间的主要不同之处在于生产测试需要的测试时间较短（通常为 t ≤ 1 秒）。生产测试时间需要较短的时间是因为生产测试时间成本非常高昂。在许多情况下，测试成本与半导体裸片的成本相当。
图 8.5 显示了测量一款运算放大器 (U1) 电压爆米花噪声的试验台设置。需要注意的是，该放大器的非反相输入被接地，因此该放大器的噪声及 DC 输出为增益乘以偏移，该噪声进而被 U2 放大。请注意，U1 和 U2 的增益均被设定为 100，即总增益为 100x100 = 10,000。这是一个典型的爆米花噪声测量增益设置；但是，您可能会需要对这一设置进行调整，以适用于您的应用。

U2 输出端的低通滤波器将带宽限制在 100Hz。该滤波器消除了较高频率噪声，并显示出爆米花噪声（如果没有出现爆米花噪声则为 1/f 噪声）。根据具体应用，可以在 10Hz 到 1000Hz 的范围内，对这种滤波器进行调节。一个 10Hz 低通滤波器具有一些衰减 60Hz 拾取的优点。但是，其也有模糊一些高频率猝发的缺点。一个 1000Hz 低通滤波器将捕获高频率猝发，但同时也开始含有极大的宽带噪声。100Hz 滤波器是一款介于 10Hz 和 1000Hz 滤波器的折中方案。但是，您可能想通过做实验来观察使用哪一种可以获得测量的最佳结果。 

 

图 8.5 测量运算放大器电压爆米花噪声的试验台测试

U2 之后是一个 0.003Hz 的 HPF。该滤波器是使用一个陶瓷电容器和示波器输入阻抗构建而成的。需要注意的是，并联的数个小陶瓷电容器可用于构建大陶瓷电容器（例如：4 x 5uF）。该高通滤波器用于消除 DC 偏移，这种偏移将可能会比测量出的噪声大得多。使用这种滤波器将允许使用最佳示波器范围测量出噪声信号。在本例中，DC 输出偏移大约为 2V，该噪声拥有一个 340mVpp 的幅度。0.003Hz HPF 不但去除了 2V DC 组件，而且还允许您在 200mV 示波器刻度上观察 340mVpp 信号。

利用输入偏移并将其与总增益相乘，您就可以轻松地估计出可能的输出偏移。图 8.6 显示了这种计算方法。需要注意的是，该输出偏移没有将运算放大器驱动至电源轨（本例为 +/-15V）。如果输出偏移接近电源轨，那么您将有必要减少增益或 U1 和 U2 之间的 AC 耦合。还需要注意的是，当该电路首次被上电时，将需要对滤波器电容 C2 充电至输出偏移电压，这样将需要大量的时间（大约为 5 分钟）。图 8.6 还给出了充电时间的计算方法。 
 

图 8.6 运算放大器电压爆米花噪声试验台测试的相关计算

图 8.7 显示了测量运算放大器 (U1) 电压爆米花噪声的生产设置。试验台测试设置和生产测试设置之间的主要区别在于生产测试中采用了数字滤波器。数字滤波器使用数学方法来过滤数字化数据。因此，这些数字滤波器不具备模拟滤波器的长充电时间。这样就保持了较短的测试时间（也即低了成本）。在本例中，该测试设备使用一个可编程增益放大器 (PGA) 来将噪声放大到一个容易测量的级别。基架 DAC 可以被用于消除输出偏移。该最终测试方法是许多生产测试系统的典型方法。但是，这些方法将随系统的不同而各异。 

 

图 8.7 测量电压爆米花噪声的生产设置


电流爆米花噪声的试验台测试及生产测试

图 8.8 显示了测量一个放大运算器 (U1) 的电流爆米花噪声的试验台设置。请注意，一个 1MΩ 电阻器与两个输入端串联。该 1MΩ 电阻器放大了电流噪声，从而使其成为输出端的主要噪声。请注意，该配置将会找出两个输入端上的爆米花噪声。由于噪声可能与任何输入端相关联，因此这一点是很重要的。两个输入端都应进行检查。图 8.9 图解说明了电流噪声与输入电阻呈线性增长，同时，热噪声与输入电阻的平方根成比例地增长。因此，如果您将输入电阻增加到一定值，您就可以使电流噪声成为主要噪声。图 8.10 给出了一些方程式，以帮助您选择一个使电流噪声成为主要噪声的输入电阻。 

 
图 8.8 测量仪表放大器电流爆米花噪声的试验台测试

 
图 8.9 噪声随着输入电阻呈线性增长 

 

图 8.10 选择输入电阻的方程式

请注意，图 8.8 所示用于测量电流爆米花噪声的电路并不需要次级增益，这是因为输入电阻器可以用作电流噪声和偏置电流的一个增益。电流噪声测量电路具有与应用于电压噪声电路一样的滤波器。0.003Hz 的高通滤波器消除了 DC 输出偏移。DC 输出偏移一般是由流经输入电阻器的偏置电流产生的。位于 U1 输出端的低通滤波器将带宽限制为 100Hz。该滤波器不但消除了较高频率的噪声，而且还可以显示出爆米花噪声（如果没有任何爆米花噪声，则显示为 1/f 噪声）。图 8.11 给出了与图 8.8 中所示电流爆米花噪声测量电路相关的滤波器的计算方式。 
 

图 8.11 相关滤波器的计算方式

图 8.12 显示了用于测量一个运算放大器 (U1) 电流爆米花噪声的生产测试设置。试验台测试设置与生产测试设置之间主要的区别在于生产测试中使用了数字滤波器，该数字滤波器使用数学方法过滤数字化数据。因此，这些数字滤波器不具备模拟滤波器的长充电时间，这样就保持了较短的测试时间。 

 

图 8.12 测量电流爆米花噪声的生产测试设置