运放电路固有噪声的分析与测量——爆米花噪声.pdf

运算放大器电路固有噪声的分析与测量运算放大器电路固有噪声的分析与测量 第八部分：爆米花噪声（二）第八部分：爆米花噪声（二） 作者：Art Kay，德州仪器 (TI) 高级应用工程师 爆米花噪声数据分析爆米花噪声数据分析 在此章节我们将推荐几种用于分析低频噪声并确定是否有爆米花噪声方法 所使 用的分析技术独立于用于测量数据的电路结构 工程师一般用定性方法都能检测 出一个示波器波形，并确定一个信号是否具有爆米花噪声我们还将介绍如何用 定性方法确定爆米花噪声此外，我们将讨论如何设置爆米花噪声以及 1/f 噪 声的通过/失败极限 图图 8.13 显示了一个典型的无爆米花噪声的时域噪声信号 该信号的截止频率为 300Hz因此，该噪声为 1/f 噪声和宽带噪声的一个综合噪声噪声信号左侧的 柱状图用于强调该噪声电压为高斯分布型 图图 8.14 显示了更详细的典型噪声高 斯分布 91760145404738165220642589 2352 21451347814376 18961 276Good INA118 (fc=300Hz)-6-4-20246010203040506time (sec)Vn RTI (uV)0图 8.13 1/f噪声和宽带噪声的综合噪声 Good INA118 (fc=300Hz) 0291760145404738165220642589 2352 21451347814376 1896127630 0500100015002000250030005.00[uV rti]CountMean = 0.00Std. dev. = 1.17Num = 15000图 8.14 标准器件噪声相关的高斯分布 图图 8.15 显示了一个典型的带有爆米花噪声的时域噪声信号。

该信号的截止频率 为 300Hz噪声信号左侧的柱状图用于强调该噪声电压为非高斯分布型图图 8.16 显示了与图图 8.15 中所示的相同的波形，划圈和箭头部分用于强调爆米花 信号跃至离散模式就这个特例而言，出现了三个离散噪声级，在该分布图中产 生了三种模式如欲了解典型非高斯噪声分布的更多详情，敬请参阅图图 8.17 Bad INA118 (fc=300Hz)-40-30-20-10010203040010203040506time (sec)Vn RTI (uV) 005178851703342438161113309911174 943302641187420349614341304610 20000000000000000000000图 8.15 爆米花噪声的时域信号 Bad INA118 (fc=300Hz)-40-30-20-1001020304001020304050time (sec)Vn RTI (uV) 605178851703342438161113309911174 943302641187420349614341304610 20000000000000000000000图 8.16：时域爆米花噪声信号的柱状图 Bad INA118 (fc=300Hz) 05178851 7033424381611133099111749433026411874203496143413046102 0500100015002000250030.00[uV rti]CountMean = 0.00Std. dev. = 12.67Num = 15000图 8.17 时域爆米花噪声信号的柱状图 因此，确定一个信号是否有爆米花噪声的一个方法就是查看一个非高斯分布图。

我们在此将不对用于测试一个分布为高斯或非高斯分布的数学方法进行介绍 相 反我们将主要精力集中在可以查找与一个噪声信号边缘相关的较大突变的技术 上找到一个信号突变的一般方法是取该信号的导数图图 8.18 显示了当爆米花 信号进行一次转换时，爆米花噪声信号的导数如何产生较大的尖峰图图 8.19 显 示了一个标准器件噪声的导数图图 8.19 中的噪声只有宽带和闪烁爆米花噪声， 即无爆米花噪声请注意，取宽带和闪烁噪声的导数并不会出现较大的尖峰 Derivative of Output INA118 (fc=300Hz) with Popcorn Noise-40-30-20-1001020304000.20.40.60.81time (sec)Vn RTI (uV) Output INA118 with Popcorn Noise (fc=300Hz)-40-30-20-1001020304000.20.40.60.81time (sec)Vn RTI (uV) 图 8.18 爆米花噪声信号的导数 Output of Good INA118 (fc=300Hz)-4-3-2-10123400.20.40.60.81time (sec)Vn RTI (uV)Derivative of the Output of Good INA118 (fc=300Hz)-4-3-2-10123400.10.20.30.40.50.60.70.80.91time (sec.)Vn RTI (uV/Sec)图 8.19 标准器件噪声的导数 图图 8.20 将爆米花噪声导数的柱状图与标准器件噪声导数的柱状图作了比较。

爆 米花噪声柱状图在离群值较大的柱 (outlying bin) 中具有大量的计数这些离群 值柱与导数中的尖峰相对应请注意，标准器件的柱状图不具备大量的离群值 (outlier)就该例子而言，我们查看该分布中 ±4σ 处的离群值/-4 标准偏差 之外的测量噪声的统计概率为 0.007%所示的示例柱状图中含有 15000 个样 本，因此我们可以认为只有一个样本（15000 x 0.007% = 1.05）在这些极限之 外因此，+/- 4σ 极限之外其余的条形柱很可能就是爆米花噪声该测试的极 限应根据柱状图中的样本数量进行调整 Derivative of Output INA118 (fc=300Hz) with Popcorn Noise6840 22 38 539823146398620653174314422571233537 251118 5427 32 3671 0500100015002000250030003500<-20.00<-16.00<-12.00<-8.00<-4.00<0.00<4.00<8.00<12.00<16.00<20.00[uV/Sec]CountMean = 0.00 Std. dev. = 4.91Num = 14998Derivative of the Output of Good INA118 (fc=300Hz)3883675220480939139520932161237718941472900570225 9827 134105001000150020002500<-5.00<-4.00<-3.00<-2.00<-1.00<0.00<1.00<2.00<3.00<4.00<5.00[uV/Sec]CountMean = 0.00 Std. dev. = 1.28Num = 14999Good unit4 measurements outside of 4σPopcorn139 measurements outside of 4σ图 8.20 标准器件和器件爆米花噪声导数分布图 确定器件是否带有爆米花噪声的另一种方法是将所测量的峰至峰噪声与理想的 峰至峰噪声进行对比。

图图 8.21 将一个带有爆米花噪声的器件的分布图与一个标 准器件的分布图进行了对比请注意，爆米花噪声峰至峰值为标准器件噪声的 6 倍此外，还应注意我们对比例进行了调整，从而强调了爆米花噪声的非高斯特 性请记住，不规则的强低频噪声是爆米花噪声比较明显的指示，但是没有必要 证明存在爆米花噪声但是，具有不规则高噪声级别的器件肯定都有故障，无论 这些器件是否具有爆米花噪声 图 8.21：标准器件峰至峰噪声与器件峰至峰爆米花噪声的对比 设置爆米花噪声测试极限设置爆米花噪声测试极限 本文推荐了两种用于筛选出爆米花噪声的方法第一种方法是取噪声信号的导 数，并找出分布图中的离群值该测试建议的极限为 +/-4 标准偏差因此，如 果该导数中任何一点超出 +/- 4 标准偏差，则可认为该器件出现故障 第二种方法是查看峰至对峰噪声该测试极限的设置使用噪声系列文章第第 7 部 分部 分中的最差情况噪声准则，图图 8.22 以图表方式总结了这些准则最差情况的经 验法则描述了谱线密度曲线如何随着工艺变化而变化使用第第 3 和第第 4 部分 所提及的方法， 及最差情况谱线密度曲线， 您可以估测出最差情况下的理想噪声， 最差情况下的理想噪声为利用标准器件预测出的最大噪声。

与最差情况极限相 比，具有爆米花噪声的器件一般都具有更大的噪声峰至峰噪声极限应设置为最 差情况估值不满足这些极限的器件可能具有爆米花噪声，或超高闪烁噪声出 现任何一种情况均可认为这些器件出现了故障 Input Voltage Noise Spectral Density11010010001101001000100001000001000000Frequency (Hz)vn (nV/rt-Hz)vn (typical)vn (max)vn (min)图 8.22 噪声的最差情况经验法则 应何时关注爆米花噪声？应何时关注爆米花噪声？ 在慢传输信号的低频应用（fc < 1kHz）中，应对爆米花噪声予以关注例如， 医学脑电图 （EEG， 脑扫描） 中的频率范围和波形很难辨别出爆米花噪声 图图 8.23 显示了典型的 EEG 波形地震观测也是一些慢传输 DC 信号，其也很难辨别 出爆米花噪声在一些音频应用中，普遍认为爆米花噪声是一种特别令人厌恶的 噪声 图 8.23 典型的 EEG 波形 爆米花噪声通常表现为一个电流噪声因此，高源阻抗应用可能对爆米花噪声更 为敏感图图 8.24 显示了输入阻抗如何影响爆米花噪声的幅度。

但是，请记住， 在一些情况下，内部电流噪声将转换成器件的内部电压噪声 图 8.24 受源阻抗影响的电流爆米花噪声 在一些情况下，宽带噪声可能使爆米花噪声不那么明显图图 8.25 显示了同一器 件的两种不同带宽请注意，图图 8.25 中的两个波形都含有爆米花噪声，但是在 宽带宽情况下，白噪声使爆米花噪声不那么明显 图 8.25 高带宽下被白噪声模糊化的爆米花噪声 总结与展望总结与展望 在本文中我们讨论了如何测量和分析爆米花噪声在第第 9 部分部分中我们将着重讲 述 1/f 噪声，以及如何使用自动归零放大器拓扑来消除 1/f 噪声 感谢感谢 特别感谢 TI 的技术人员，感谢他们在技术方面所提供的真知灼见这些技术人 员包括： • 高级模拟。