Kaung Win

電流噪聲隨頻率增加的現象是IC設計工程師和電路設計人員所熟知的，但由于該領域的文章太少或制造商提供的信息不完整，許多工程師難以捉摸。

許多半導體制造商的數據手冊（包括ADI公司）在規格表中規定了放大器的電流噪聲，通常頻率為1 kHz。目前尚不清楚當前的噪聲規格來自何處。是測量的還是理論上的？一些制造商通過提供

稱為散粒噪聲方程。過去，ADI公司以這種方式提供大多數當前噪聲值。對于每個放大器，此計算數字是否最高可達1 kHz？

在過去幾年中，人們對放大器中電流噪聲與頻率的關系越來越感興趣。一些客戶以及制造商認為FET輸入放大器的電流噪聲與雙極性輸入放大器的形狀相似，例如，1/f或閃爍噪聲分量和扁平寬帶分量，如圖1所示。FET輸入放大器的情況并非如此;相反，在圖2中，它看起來像一個奇怪的噪聲形狀，并不為人所知，在許多仿真模型中被忽略了。

圖1.雙極性輸入放大器

AD8099的

電流噪聲

圖2.FET輸入放大器AD8065的電流噪聲。

測量設置是關鍵

在我們討論為什么會這樣之前，讓我們快速看一下測量設置。需要獲得一種易于重現的可靠測量方法，以便可以在許多不同的部件上重復測量。

可以使用DC417B單功放評估板。被測器件（DUT）的電源必須具有低噪聲和低漂移。線性電源優于開關電源，因此任何電源變化（如開關偽影）都不會增加測量。LT3045 和 LT3094 是正和負超高 PSRR、超低噪聲線性穩壓器，可用于進一步減小來自線性電源的紋波。利用LT3045和LT3094，可以使用單個電阻器配置高達+15 V和低至–15 V所需的任何輸出電壓。這兩款器件是用于低噪聲測量的理想臺式電源。

圖3.測量設置。

Ohmite 的 10 GΩ SMT 電阻 （HVC1206Z1008KET） 用于將 DUT 同相引腳上的電流噪聲轉換為電壓噪聲。FET 輸入放大器的典型偏置電流約為 1 pA，等于 0.57 fA/√Hz

如果等式

是正確的。10 GΩ源阻抗熱噪聲為

這為我們提供了測量電流本底噪聲

并且可以在后處理中減去它。但是，如果電阻電流噪聲主導DUT的電流噪聲，則無法準確測量。因此，我們需要至少10 GΩ的電阻值才能看到一些噪聲。100 MΩ源阻抗熱噪聲約為1.28 μV/√Hz（= 12.8 fA/√Hz），不足以區分DUT和電阻噪聲。如果噪聲不相關，則以和平方根 （RSS） 方式添加。圖 4 和表 1 顯示了 RSS 對兩個數字之比的影響。n：n添加約41%，n：n/2添加約12%，n：n/3添加約5.5%，n：n/5添加約2%。通過足夠的平均，我們可能能夠提取大約10%（0.57 fA / √Hz和1.28 fA / √Hz RSS）。

圖4.RSS 基于兩個數字的比率添加。

?

?

為什么結果如此奇怪？

圖5顯示了采用AD8065的設置的電壓噪聲密度，AD145是一款2 MHz FET輸入運算放大器，共模輸入阻抗為1.10 pF。12 GΩ電阻熱噪聲為8.20 μV/√Hz，直到輸入電容以及電路板和插座雜散電容滾降電壓噪聲。理想情況下，這應該以–100 dB/dec的速度繼續滾動，但曲線在100 Hz左右開始改變形狀，并在20 kHz左右變平。這是怎么回事？我們的直覺告訴我們，阻止–20 dB/dec滾降并導致平坦度的唯一方法是提供+20 dB/dec斜率。罪魁禍首是電流噪聲，在較高頻率下以+<> dB/dec斜率增加。

圖5.折合到輸出端的電壓噪聲密度。

SR785動態信號分析儀或FFT儀器可用于測量輸出電壓噪聲;但是，本底噪聲最好小于7 nV/√Hz。當DUT滾降的輸出電壓噪聲接近20 nV/√Hz至30 nV/√Hz時，我們希望分析儀本底噪聲盡可能少地增加噪聲。3倍的比率僅增加約5.5%。我們可以忍受噪聲域中5%的誤差（見圖4）。

藝術在反向計算中

以這種方式進行測量，只需一次測量即可獲得繪制電流噪聲所需的兩個主要參數。首先，我們得到了總輸入電容，即雜散電容和輸入電容，這對于反向計算滾降是必要的。即使有雜散電容，也會捕獲信息。輸入電容在10 GΩ電阻范圍內占主導地位。該總阻抗將電流噪聲轉換為電壓噪聲。因此，了解此總輸入電容非常重要。其次，它顯示了電流噪聲開始占主導地位的位置，即它開始偏離–20 dB/dec斜率的位置。

讓我們看一個示例，其中包含圖 5 中的此數據。3 dB滾降點在2.1 Hz下讀取，對應于

輸入端的電容。數據手冊提到，共模輸入電容僅為約2.1 pF，這意味著雜散電容約為5.5 pF。差模輸入電容由負反饋自舉，因此在低頻時不會真正發揮作用。電容為7.6 pF時，電流噪聲看到的阻抗如圖6所示。

圖6.總阻抗幅度為10 GΩ電阻和7.6 pF輸入電容并聯。

將AD8065上測得的折合輸出（RTO）電壓噪聲（圖5）除以阻抗與頻率的關系（圖6），得到AD8065和RSS中組合的10 GΩ電阻的等效電流噪聲（圖7）。

圖7.AD8065和10 GΩ電阻的RTI電流噪聲。

去除10 GΩ的電流噪聲后，AD8065的折合到輸入端的噪聲如圖8所示。在 10 Hz 以下，它非常模糊，因為我們試圖從 0.5 fA/√Hz（RSS 標度為 0%）中找出 6.1 fA/√Hz 到 28.10 fA/√Hz，并且只完成了 100 個平均值。在 15 mHz 到 1.56 Hz 之間，有 400 條線路具有 4 mHz 帶寬。平均每 256 秒！100 的平均值 256 是 25，600 秒，略多于 7 小時。為什么需要低至 15 mHz 的測量，為什么要花費這么多時間？輸入電容為10 pF，10 GΩ時產生1.6 Hz低通濾波器。 低噪聲FET放大器具有高達20 pF的大輸入電容，使3 dB點為0.8 Hz。為了正確測量3 dB點，我們需要看到十年前的情況，即低至0.08 Hz（或80 mHz）。

如果我們盯著10 Hz以下的模糊線，0.6 fA / √Hz通過

可以驗證。對于電流噪聲，這個等式并不完全錯誤。在一階近似中，它仍然顯示了器件的低頻電流噪聲行為，因為該電流噪聲密度值是通過直流輸入偏置電流獲得的。然而，在高頻下，電流噪聲不遵循這個等式。

圖8.AD8605的RTI電流噪聲。

在較高頻率下，DUT電流噪聲明顯主導電阻電流噪聲，電阻噪聲可以忽略不計。圖9顯示了各種FET輸入放大器在10 GΩ噪聲下的折合到輸入端的電流噪聲，采用圖3所示的設置進行測量。100 kHz時100 fA/√Hz似乎是大多數精密放大器的典型性能。

圖9.所選ADI放大器的RTI電流噪聲

也有例外：LTC6268/LTC6269 電流噪聲在 5 kHz 時為 6.100 fA/√Hz。這些器件非常適合需要高帶寬、低輸入電容、飛安級偏置電流的高速TIA應用。

圖 10.LTC6268 的輸入參考電流噪聲。

這就是FET輸入放大器中的電流噪聲的全部嗎？

在高源阻抗應用中，有四種主要的電流噪聲源會影響總輸入電流噪聲，到目前為止，我們已經介紹了兩個。具有主要噪聲源的簡化TIA放大器如圖11所示。MT-050是運算放大器噪聲源的良好參考。

圖 11.具有主要噪聲源的簡化型 TIA 放大器。

來自FET輸入放大器的電流噪聲（in_dut)

電流噪聲的形狀取決于放大器輸入級拓撲。通常，噪聲在低頻時是平坦的，但隨著頻率的升高而變大。參見圖 8。最終，噪聲將以–20 dB/dec的速度滾降，因為放大器在較高頻率下耗盡增益。

來自電阻的電流噪聲 （in_R)

這可以通過電阻器e的熱電壓噪聲計算得出n_R除以電阻的阻抗，R. 1 MΩ 貢獻大約 128 fA/√Hz，10 GΩ 貢獻 1.28 fA/√Hz。

電阻的熱電壓噪聲在整個頻率范圍內保持理想平坦，直到它看到電容并以–20 dB/dec的速度滾降。圖5顯示了10 mHz至1 Hz范圍內的這種行為。

來自傳感器的電流噪聲（in_source)

傳感器本身會產生電流噪聲，我們必須忍受它。它可以在頻率上具有任何形狀。例如：光電二極管出現散粒噪聲，I錫，從光電流，IP和暗電流，ID，以及約翰遜噪音，我JN，來自分流電阻。1

放大器電壓噪聲本身產生的電流噪聲

來自放大器電壓噪聲的電流噪聲稱為enC噪聲，在Horowitz和Hill的The Art of Electronics中得到了很好的解釋。2類似于電阻電壓噪聲被電阻轉換為電流噪聲，放大器電壓噪聲en_dut由總輸入電容（包括傳感器電容、電路板雜散電容和放大器輸入電容）轉換為電流噪聲

在第一個訂單上，我們得到

這個等式告訴我們三件事。首先，電流噪聲隨著頻率的增加而變大，這是另一個隨頻率變大的電流噪聲分量。其次，放大器的輸入電壓噪聲越大，電流噪聲越大。第三，總輸入電容越大，電流噪聲越大。這導致品質因數enC，其中放大器的電壓噪聲和總輸入電容也應考慮給定的應用。

TIA應用的電流噪聲形狀（忽略DUT電流噪聲）如圖12所示。平坦部分主要是電阻噪聲

而電容感應電流噪聲為

以 20 dB/dec 的速度增加。根據這兩個方程，交叉點可以計算為

?

圖 12.enC噪聲隨頻率變化。

取決于 C在， enC噪聲可以大于或小于DUT電流噪聲。對于 TIA 應用等反相配置，C分米未引導;那是

例如，在 100 kHz 頻率下，LTC6244C厘米= 2.1 pF，C分米= 3.5 pF，并且en= 8 nV/√Hz 將具有 enC 電流噪聲

這遠小于 80 fA/√Hz 的 DUT 電流噪聲。

但是，當連接光電二極管時，額外的C源或 CPD被添加到公式中，可以重新計算電流噪聲。從 C 端只需 16 pF 的額外電容PD等于 DUT 電流噪聲。低速、大面積光電二極管的量級為100 pF至1 nF，而高速、小面積光電二極管的尺寸為1 pF至10 pF。

總結

CMOS和JFET輸入放大器中電流噪聲隨頻率增加的現象是IC設計工程師和經驗豐富的電路設計人員所熟知的，但由于該領域的文章太少或制造商提供的信息不完整，許多工程師難以理解。本文的目的是將對當前噪聲行為的理解與更高頻域聯系起來，并展示一種在所選運算放大器上重現測量的技術。

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