運算放大器電路固有噪聲的分析與測量 第八部分：爆米花噪聲(一)

　　本文將討論如何測量并辨別爆米花噪聲；以及相對于1/f 及寬帶噪聲的幅度；還有對爆米花噪聲特別敏感的諸多應用。

　　1/f 和寬帶噪聲的回顧

　　討論爆米花噪聲以前，對時域和寬帶及1/f噪聲的統(tǒng)計表示法進行回顧是非常有幫助的。1/f 和寬帶噪聲均具有高斯分布的特點。此外，在一個特定設計中，這些噪聲類型都是一貫的并且是可以預見的。到目前為止，我們已經(jīng)從本文中了解了如何通過計算和仿真（圖 1－2）來預測噪聲級別。但是，這些方法均不能用于測量爆米花噪聲。

　　圖 8.1 寬帶噪聲——時域及柱狀圖
 

        
        圖 8.2 1/f 噪聲——時域及柱狀圖

　　何謂爆米花噪聲

　　爆米花噪聲是一種在雙極晶體管基極電流中的突然階躍或跳躍，或 FET 晶體管閾值電壓中的一種階躍。之所以將其稱為爆米花噪聲，是因為當通過揚聲器播放出來時其聽起來類似爆米花的聲音。這種噪聲也被稱為猝發(fā)噪聲和隨機電報信號 (RTS)。爆米花噪聲出現(xiàn)在低頻率（通常為 f < 1kHz）下。每秒鐘可以發(fā)生數(shù)次猝發(fā)，在極少數(shù)情況下，可能數(shù)分鐘才發(fā)生。

　　圖 8.3 顯示了時域中的爆米花噪聲及其相關的統(tǒng)計分布情況。需要注意的是，噪聲級別的不同跳躍與分布峰值相對應。很明顯，該分布情況與非高斯爆米花噪聲相關。實際上，本例中顯示的分布情況為三條放置于彼此頂部的高斯曲線（三模分布）。出現(xiàn)這種情況的原因是，本例中的爆米花噪聲具有三個離散電平。各猝發(fā)間的噪聲為寬帶和 1/f 噪聲的組合。因此，該噪聲由三個不同的 1/f 及寬帶噪聲高斯分布組成，而 1/f 及寬帶噪聲又被爆米花噪聲轉換為不同的電平。

        
　　圖 8.3爆米花噪聲時域及柱狀圖

　　爆米花噪聲的起因

　　人們認為，爆米花噪聲是由電荷陷阱或半導體材料中的微小缺陷引起的。我們已經(jīng)知道重金屬原子污染是引起爆米花噪聲的原因。在失效分析時，專家通常會對具有較多爆米花噪聲的器件進行仔細的檢查。失效分析將查找會引起爆米花噪聲的微小缺陷。圖 8.4 顯示了如何將一個正常晶體管與一個帶有晶體缺陷的晶體管進行對比。

　　圖 8.4 正常晶體管與帶有晶體缺陷的晶體管的比較

　　這種問題的普遍程度如何？

　　爆米花噪聲與那些在半導體制造期間出現(xiàn)的問題有關系。對許多現(xiàn)代工藝而言，爆米花噪聲的出現(xiàn)相對要少一些。一般而言，爆米花噪聲取決于不同的“批次”，即一些批次沒有爆米花噪聲，而其他批次可能會有一點。一批特別差的半導體可能會有百分之五的器件具有爆米花噪聲。在許多情況下，我們都可以找出引起爆米花噪聲的制造技術問題。

　　爆米花噪聲——究竟是電流噪聲還是電壓噪聲？

　　在雙極晶體管中，爆米花噪聲以基極電流的一個階躍變化形式出現(xiàn)。因此，雙極運算放大器爆米花噪聲通常表現(xiàn)為偏置電流噪聲。由于這一原因，雙極放大器中的爆米花噪聲可能僅在高源阻抗應用中出現(xiàn)。

　　在具有 JFET 輸入放大器的雙極運算放大器中，偏置電流噪聲通常不是個問題。在一些情況下，一個內(nèi)部級雙極晶體管將會產(chǎn)生爆米花噪聲。這種爆米花噪聲表現(xiàn)為電壓噪聲。

　　一般而言，MOSFET 放大器往往不總是產(chǎn)生爆米花噪聲。MOSFET 晶體管中的爆米花噪聲表現(xiàn)為閾值電壓的一個階躍。在運算放大器中，其將表現(xiàn)為電壓噪聲。

　　電壓爆米花噪聲的試驗臺測試及生產(chǎn)測試

　　在本文中，我們將討論如何實施爆米花噪聲的試驗臺測試和生產(chǎn)測試。試驗臺測試是小批量樣片器件測試工程實驗室中的一種測試方法。生產(chǎn)測試是使用自動化測試設備對大批量器件進行測試的一種測試方法。這兩種測試方法之間的主要不同之處在于生產(chǎn)測試需要的測試時間較短（通常為 t ≤ 1 秒）。生產(chǎn)測試時間需要較短的時間是因為生產(chǎn)測試時間成本非常高昂。在許多情況下，測試成本與半導體裸片的成本相當。

　　圖 8.5 顯示了測量一款運算放大器 (U1) 電壓爆米花噪聲的試驗臺設置。需要注意的是，該放大器的非反相輸入被接地，因此該放大器的噪聲及 DC 輸出為增益乘以偏移，該噪聲進而被 U2 放大。請注意，U1 和 U2 的增益均被設定為 100，即總增益為 100x100 = 10,000。這是一個典型的爆米花噪聲測量增益設置；但是，您可能會需要對這一設置進行調(diào)整，以適用于您的應用。

　　U2 輸出端的低通濾波器將帶寬限制在 100Hz。該濾波器消除了較高頻率噪聲，并顯示出爆米花噪聲（如果沒有出現(xiàn)爆米花噪聲則為 1/f 噪聲）。根據(jù)具體應用，可以在 10Hz 到 1000Hz 的范圍內(nèi)，對這種濾波器進行調(diào)節(jié)。一個 10Hz 低通濾波器具有一些衰減 60Hz 拾取的優(yōu)點。但是，其也有模糊一些高頻率猝發(fā)的缺點。一個 1000Hz 低通濾波器將捕獲高頻率猝發(fā)，但同時也開始含有極大的寬帶噪聲。100Hz 濾波器是一款介于 10Hz 和 1000Hz 濾波器的折中方案。但是，您可能想通過做實驗來觀察使用哪一種可以獲得測量的最佳結果。

　　圖 8.5 測量運算放大器電壓爆米花噪聲的試驗臺測試

　　U2 之后是一個 0.003Hz 的 HPF。該濾波器是使用一個陶瓷電容器和示波器輸入阻抗構建而成的。需要注意的是，并聯(lián)的數(shù)個小陶瓷電容器可用于構建大陶瓷電容器（例如：4 x 5uF）。該高通濾波器用于消除 DC 偏移，這種偏移將可能會比測量出的噪聲大得多。使用這種濾波器將允許使用最佳示波器范圍測量出噪聲信號。在本例中，DC 輸出偏移大約為 2V，該噪聲擁有一個 340mVpp 的幅度。0.003Hz HPF 不但去除了 2V DC 組件，而且還允許您在 200mV 示波器刻度上觀察 340mVpp 信號。

　　利用輸入偏移并將其與總增益相乘，您就可以輕松地估計出可能的輸出偏移。圖 8.6 顯示了這種計算方法。需要注意的是，該輸出偏移沒有將運算放大器驅動至電源軌（本例為 +/-15V）。如果輸出偏移接近電源軌，那么您將有必要減少增益或 U1 和 U2 之間的 AC 耦合。還需要注意的是，當該電路首次被上電時，將需要對濾波器電容 C2 充電至輸出偏移電壓，這樣將需要大量的時間（大約為 5 分鐘）。圖 8.6 還給出了充電時間的計算方法。
 

       
　　圖 8.6 運算放大器電壓爆米花噪聲試驗臺測試的相關計算

　　圖 8.7 顯示了測量運算放大器 (U1) 電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設置。試驗臺測試設置和生產(chǎn)測試設置之間的主要區(qū)別在于生產(chǎn)測試中采用了數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器使用數(shù)學方法來過濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長充電時間。這樣就保持了較短的測試時間（也即低了成本）。在本例中，該測試設備使用一個可編程增益放大器 (PGA) 來將噪聲放大到一個容易測量的級別?；?DAC 可以被用于消除輸出偏移。該最終測試方法是許多生產(chǎn)測試系統(tǒng)的典型方法。但是，這些方法將隨系統(tǒng)的不同而各異。

　　圖 8.7 測量電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設置