8.7 TI 高精度实验室 - 噪声 7

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程将讨论

运放固有噪声的第七部分

到目前为止

在运放固有噪声课程系列中

我们已经学会如何使用计算

和仿真来预测放大器的输出噪声

在本节课程中

我们将介绍噪声测量的方法

噪声的测量通常

有 2 种常用的测试仪器

示波器和频谱分析仪

在本次课程中

我们将讨论这些仪器的工作原理

以及一些提示和技巧来优化他们的性能

让我们从示波器开始

它可能是工程师们测量噪声的

最常见的方式

通常情况下

将示波器连接到电路的输出端

那么我们就可以从示波器上观测到

peak-to-peak noise

峰峰值噪声的电压

这里列出了一些提示和技巧

以确保从示波器上观测的噪声值

尽可能地准确

第一个技巧与示波器的探针有关

大部分的示波器探针都是 10 倍放大的

这意味着在这个探针上

有一个 10 倍衰减的衰减器

它会使 noise floor 噪底

衰减 10 倍

所以在测量中不要采用这种类型的探针

而是采用无衰减器的探针

将信号直接接连至示波器

可以得到 10 倍更优的噪底

在噪声测量之前

检查测量仪器的噪底

对于示波器来说

通常将 BNC 短接帽

BNC shorting cap

接在示波器的输入端来检查其噪底

大部分示波器的带宽

会比所需测量的系统的带宽大很多

比如说 您可能会

用一个 400MHz 带宽的示波器

去观测一个 100kHz 的运放的噪声

这么做所带来的问题

是示波器本身的噪底中

包含了很多与本测量无关的高频噪声

大部分示波器带有带宽限制功能

它会显著地缩小带宽

从而降低示波器本身的噪底

1/f noise （1/f 噪声）

通常测量 0.1 赫兹

到 10 赫兹的带宽范围

这么做需要一个直流耦合

dc coupled 的数字示波器

将其时间轴设置地非常大

典型值是 1 秒/格

在 1/f 噪声测量中

确保示波器是设置为直流耦合的

这一点非常重要

因为通常示波器内部的交流耦合

ac coupling 它的电路

采用 60 赫兹的高通滤波器

它会将 flicker noise 闪烁噪声

或者 1/f 噪声过滤掉

对于 broadband noise 宽带噪声的测量

可以采用交流耦合

交流耦合还可以消除直流偏置

从而实现最好的测量范围

这里展示了在三种不同的设置下

测量的数字示波器的噪底

右边的配置是最差的

其噪底是 8mVpp

这个配置采用了 10 倍放大的探针

示波器的带宽

也被设置成全带宽 400MHz

通过将 10 倍放大的探针

替换成 BNC 直接连接

或 1 倍放大的探针

噪底会有显著的改善

这一替换能有效地降低噪底 10 倍

如中间那一幅图所示

注意到其垂直的刻度

已经从 10mV/Div 变成了 1mV/Div

最底部的噪底出现在采用 BNC 连接

并且开启了带宽限制功能的配置中

如左边的图所示

在这个示例中

将带宽限制到 20MHz

将会使噪底从 0.8mV 降到 0.2mV

甚至更低

这里展示了一些额外的技巧

帮您提高示波器测量的性能

首先避免使用探针的地线

它会作为环形天线接收到外部的噪声

在测量中引入额外的误差

如果可能的话

去掉示波器探针帽

采用直接的接地连接如右上角所示

注意到示波器探针的内部铁杆

是接地了的

其次测量示波器的噪底也是非常重要的

一种方法是采用如右下图所示的短接帽

另一种方法是在示波器探针

或测量线的末端短接

但是如前文所述

测量线或示波器探针会作为天线

采用短接帽可以知道示波器本身的噪底

而不包含任何在线缆上引入的噪声

可以采用上述的两种方法去测量噪声

这对判断您的线缆上

当正确地配置了示波器后

噪声的测量

可以通过调整时间尺度

去匹配电路的带宽

稍后我们将展示一个测量实例

其中的电路是我们先前计算和仿真过的

下面我们讨论频谱分析仪

频谱分析仪是一种非常有用的

噪声测量的工具

因为它可以给我们

noise spectral density curve

噪声频谱密度曲线

示波器并不会给出噪声的频率分量

使用频谱分析仪

非常有利于检测

那些意想不到的外部噪声

例如

您可能会看到在 60Hz 上有个尖峰

这表明引入了交流电源线噪声

从概念上讲

频谱分析仪的工作原理

是用一个带通滤波器

在一定频率范围内扫频

并绘出滤波器的输出

带通滤波器的带宽被称为测量带宽

还通过平均的方式

来提高仪器的测量精度

接下来我们将讨论测量带宽

和平均之间的权衡

上图展示了频谱分析仪被用来测量

67kHz 和 72kHz 的信号

这两种频谱分析仪的测试结果

分别对应于 150Hz 的测量带宽

和 1200Hz 的测量带宽

使用较窄的测量带宽 150Hz

进行测量有利于更好地分析离散信号

此外较窄的测量带宽降低了噪底

因为较窄的带宽

使带通滤波器内部

引进的噪声总量减小了

使用较宽的测量带宽 1200Hz

进行测量则丢失了每个信号的信息

因为带通滤波器的较宽的带宽

使其同时捕获到这两个信号

因此在进行噪声测量的时候

注意选择测量带宽

以得到较好的分辨率

注意到降低测量带宽

会增加扫频的时间

本质上是用更多的测试时间

去换取更高的精度

在一些超高精度的测量中

测试时间会可能长达几个小时

因此使用非常窄的测量带宽

不总是切合实际的

提高测量精度的另一个方法

是采用平均化

它结合了多次噪声扫描的结果

为了得到准确的测量结果

被测量的设备的状态需要保持不变

平均化并不合适于瞬变信号的测量

但它确实适合测量频谱密度

平均化的权衡与测量带宽的权衡类似

增加平均次数能得到更高的精度

但也会导致测量时间的增加

在上例中

左图是不带平均的测试结果

右图是带 49 次平均的测试结果

不带平均的频谱密度测试结果

带有明显的变化

平均化后

得到了更为精确的整体平均值

进行噪声分析时

将测试结果

显示为以 nV/√Hz 为单位的

电压谱密度是非常有用的

然而频谱分析仪通常显示测试结果

为分贝毫瓦或 dBm

上面的公式说明了如何将 dBm

转换为 nV/√Hz

详细的数学计算过程不在这里讨论

但我只想说我们将输入到仪器

50Ω 输入阻抗的噪声功率

转换成了噪声频谱密度

在一些情况下

如果有一个校准后的噪声源

会非常有利于确认

是否精确地完成了

从 dBm 到频谱密度的转换

除了正确配置示波器和频谱分析仪以外

测量设置的其他方面

还可能对噪声测量的质量

有很大的影响

首先采用一个良好屏蔽和接地的环境

确保屏蔽接地

并减小屏蔽的任何间隙

铜和钢是屏蔽材料的好选择

我们通常使用修改后的钢板油漆罐

作为噪声测试电路的屏蔽罩

如前文所述

如果可能的话

所有电路均采用 BNC 电缆直接连接

采用电池或线性电源

以提供最低噪声的电源测量噪底的时候

BNC 短接帽是非常有用的

不要留下任何未接端或者是悬空的输入

这些会引入外部的噪声

请记住试验的目的是测量运放固有噪声

所以这些预防措施

都集中于消除外部噪声源

现在让我们将所有这些技巧

应用于先前用于计算

和仿真的 OPA627 示例电路中

该电路通过 BNC 线缆

直接连接到示波器中

如先前提到的

直接的 BNC线缆连接

比 10 倍放大的探针更好

因为其噪底会低 10 倍

测得的输入噪声电压是 400uVRMS

而先前视频中的计算结果

是 325uVRMS

与这个测试结果有点差异

这个差异通常都会出现在示波器测量中

它源于芯片制造工艺的偏差

以及测试设备的测量精度限制

在一般情况下

噪声的测试结果和计算结果之间的偏差

应该在±20%的量级

如果结果差异很大

首先应确认该设备已正确连接

并能正常工作

接下来确保测试仪器被正确地配置了

一定要确认测量系统的噪声足够低

以得到准确的测量结果

假设没有任何功能或测试仪器的问题

接下来要考虑的就是外部噪声

可以尝试改善屏蔽的条件

如果在彻底排查电路后仍然看到大的差异

您应该尝试采用频谱分析仪进行噪声测量

从而更深入了解系统的噪声特性

比如说您可能会发现

某一个在特定频率的开关噪声

对输出噪声有着显著的影响

现在让我们用频谱分析仪

来测量 OPA627 的噪声频谱密度曲线

在这个示例中

我们将尝试重现

在 OPA627 数据表中给出的曲线

电路连接如上所示

首先请注意

R1 和 R2 的并联后的阻值是比较小的

以便最大限度地减少热噪声

还要注意的是

采用了一个大容值的陶瓷电容器 C1

用于交流耦合信号输入至频谱分析仪

示波器的输入阻抗

和耦合电容器形成了一个

具有非常低截止频率的高通滤波器

只有 0.008Hz

这对 1/f 噪声特性的测量

是非常重要的

电容耦合是必不可少的

因为相对于噪声来说

直流偏置非常大

因此直流偏置会使频谱分析仪的输入饱和

注意到频谱分析仪本身

也会有交流耦合模式

然而它的截止频率通常太高了

以致不能满足 1/f 噪声测量的要求

在这里我们给出了

基于上一张图片中的电路的

基于上一张图片中的电路的

频谱密度曲线测试结果

注意到该数据在多个范围内收集

对于每一个频率范围内

我们调节了频谱分析仪的测量带宽

以优化精度

例如测量带宽在低频很窄

而在高频会较宽

这使我们在合理的测试时间内

获得良好的测试精度

还要注意的是我们

测量了系统的噪底

无论使用哪种测试仪器

检查其噪底都是很重要的

请记住

如果噪底比你试图测量的信号还大

您是无法得到有效的测试结果的

收集数据之后

您将需要做一些调整

以获得频谱密度曲线

首先

将单独的频率范围组合为一条曲线

其次您会发现

曲线在低频有一个奇怪的尾巴

这是使用频谱分析仪中

常见的异常现象

我们将在下一幻灯片中

进行更详细的讨论

现在只要知道这个数据应该被去除

此外您可能会在频谱密度曲线中

看到一些外部噪音

在这个示例中

您可以看到

所引入的 60Hz 噪声及其谐波

在理想情况下

60Hz 的噪声

可以通过适当的屏蔽消除掉

但这并不总是可能的

最后您需要将测量结果

除以电路的噪声增益

从而得到等效到放大器输入端的噪声

在这里进一步解释了

低频段奇怪的尾巴的产生原因

首先请记住

频谱密度曲线是在对数轴上

所以相对于高频来说

测量带宽在低频区域

相对于低频频率本身来说较宽

因此 在低频区域内

带通滤波器的测量带宽

会捕获到一些不需要的直流分量

以及超出测量频率的 1/f 噪声

从而推高了频谱密度

并产生了低频的尾巴

如前所述

该结果应当被去除

一个好的做法

是将测量频率

设置在您所需要的频率的

10 倍频以下

然后在测量结果中

丢掉低频结果

在这里我们将最终组合后的

频谱密度密度测试结果

和数据表中的结果进行比较

可以发现 1/f 噪声转角

与数据表中的并不一致

这其实并不意外

1/f 噪声转角随着工艺的偏差而变化

数据表中的曲线仅仅展示其典型值

还要注意的是测量结果

与数据表中的结果相比

宽带噪声频谱密度是相吻合的

测得的噪声曲线

可以通过平均和屏蔽进一步地改善

但总体来看

很好地描述了设备的

噪声频谱密度

以上就是本次课程的内容

谢谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

看看您是否已掌握本次学习的内容

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本次课程将讨论

运放固有噪声的第七部分

到目前为止

在运放固有噪声课程系列中

我们已经学会如何使用计算

和仿真来预测放大器的输出噪声

在本节课程中

我们将介绍噪声测量的方法

噪声的测量通常

有 2 种常用的测试仪器

示波器和频谱分析仪

在本次课程中

我们将讨论这些仪器的工作原理

以及一些提示和技巧来优化他们的性能

让我们从示波器开始

它可能是工程师们测量噪声的

最常见的方式

通常情况下

将示波器连接到电路的输出端

那么我们就可以从示波器上观测到

peak-to-peak noise

峰峰值噪声的电压

这里列出了一些提示和技巧

以确保从示波器上观测的噪声值

尽可能地准确

第一个技巧与示波器的探针有关

大部分的示波器探针都是 10 倍放大的

这意味着在这个探针上

有一个 10 倍衰减的衰减器

它会使 noise floor 噪底

衰减 10 倍

所以在测量中不要采用这种类型的探针

而是采用无衰减器的探针

将信号直接接连至示波器

可以得到 10 倍更优的噪底

在噪声测量之前

检查测量仪器的噪底

对于示波器来说

通常将 BNC 短接帽

BNC shorting cap

接在示波器的输入端来检查其噪底

大部分示波器的带宽

会比所需测量的系统的带宽大很多

比如说 您可能会

用一个 400MHz 带宽的示波器

去观测一个 100kHz 的运放的噪声

这么做所带来的问题

是示波器本身的噪底中

包含了很多与本测量无关的高频噪声

大部分示波器带有带宽限制功能

它会显著地缩小带宽

从而降低示波器本身的噪底

1/f noise （1/f 噪声）

通常测量 0.1 赫兹

到 10 赫兹的带宽范围

这么做需要一个直流耦合

dc coupled 的数字示波器

将其时间轴设置地非常大

典型值是 1 秒/格

在 1/f 噪声测量中

确保示波器是设置为直流耦合的

这一点非常重要

因为通常示波器内部的交流耦合

ac coupling 它的电路

采用 60 赫兹的高通滤波器

它会将 flicker noise 闪烁噪声

或者 1/f 噪声过滤掉

对于 broadband noise 宽带噪声的测量

可以采用交流耦合

交流耦合还可以消除直流偏置

从而实现最好的测量范围

这里展示了在三种不同的设置下

测量的数字示波器的噪底

右边的配置是最差的

其噪底是 8mVpp

这个配置采用了 10 倍放大的探针

示波器的带宽

也被设置成全带宽 400MHz

通过将 10 倍放大的探针

替换成 BNC 直接连接

或 1 倍放大的探针

噪底会有显著的改善

这一替换能有效地降低噪底 10 倍

如中间那一幅图所示

注意到其垂直的刻度

已经从 10mV/Div 变成了 1mV/Div

最底部的噪底出现在采用 BNC 连接

并且开启了带宽限制功能的配置中

如左边的图所示

在这个示例中

将带宽限制到 20MHz

将会使噪底从 0.8mV 降到 0.2mV

甚至更低

这里展示了一些额外的技巧

帮您提高示波器测量的性能

首先避免使用探针的地线

它会作为环形天线接收到外部的噪声

在测量中引入额外的误差

如果可能的话

去掉示波器探针帽

采用直接的接地连接如右上角所示

注意到示波器探针的内部铁杆

是接地了的

其次测量示波器的噪底也是非常重要的

一种方法是采用如右下图所示的短接帽

另一种方法是在示波器探针

或测量线的末端短接

但是如前文所述

测量线或示波器探针会作为天线

采用短接帽可以知道示波器本身的噪底

而不包含任何在线缆上引入的噪声

可以采用上述的两种方法去测量噪声

这对判断您的线缆上

当正确地配置了示波器后

噪声的测量

可以通过调整时间尺度

去匹配电路的带宽

稍后我们将展示一个测量实例

其中的电路是我们先前计算和仿真过的

下面我们讨论频谱分析仪

频谱分析仪是一种非常有用的

噪声测量的工具

因为它可以给我们

noise spectral density curve

噪声频谱密度曲线

示波器并不会给出噪声的频率分量

使用频谱分析仪

非常有利于检测

那些意想不到的外部噪声

例如

您可能会看到在 60Hz 上有个尖峰

这表明引入了交流电源线噪声

从概念上讲

频谱分析仪的工作原理

是用一个带通滤波器

在一定频率范围内扫频

并绘出滤波器的输出

带通滤波器的带宽被称为测量带宽

还通过平均的方式

来提高仪器的测量精度

接下来我们将讨论测量带宽

和平均之间的权衡

上图展示了频谱分析仪被用来测量

67kHz 和 72kHz 的信号

这两种频谱分析仪的测试结果

分别对应于 150Hz 的测量带宽

和 1200Hz 的测量带宽

使用较窄的测量带宽 150Hz

进行测量有利于更好地分析离散信号

此外较窄的测量带宽降低了噪底

因为较窄的带宽

使带通滤波器内部

引进的噪声总量减小了

使用较宽的测量带宽 1200Hz

进行测量则丢失了每个信号的信息

因为带通滤波器的较宽的带宽

使其同时捕获到这两个信号

因此在进行噪声测量的时候

注意选择测量带宽

以得到较好的分辨率

注意到降低测量带宽

会增加扫频的时间

本质上是用更多的测试时间

去换取更高的精度

在一些超高精度的测量中

测试时间会可能长达几个小时

因此使用非常窄的测量带宽

不总是切合实际的

提高测量精度的另一个方法

是采用平均化

它结合了多次噪声扫描的结果

为了得到准确的测量结果

被测量的设备的状态需要保持不变

平均化并不合适于瞬变信号的测量

但它确实适合测量频谱密度

平均化的权衡与测量带宽的权衡类似

增加平均次数能得到更高的精度

但也会导致测量时间的增加

在上例中

左图是不带平均的测试结果

右图是带 49 次平均的测试结果

不带平均的频谱密度测试结果

带有明显的变化

平均化后

得到了更为精确的整体平均值

进行噪声分析时

将测试结果

显示为以 nV/√Hz 为单位的

电压谱密度是非常有用的

然而频谱分析仪通常显示测试结果

为分贝毫瓦或 dBm

上面的公式说明了如何将 dBm

转换为 nV/√Hz

详细的数学计算过程不在这里讨论

但我只想说我们将输入到仪器

50Ω 输入阻抗的噪声功率

转换成了噪声频谱密度

在一些情况下

如果有一个校准后的噪声源

会非常有利于确认

是否精确地完成了

从 dBm 到频谱密度的转换

除了正确配置示波器和频谱分析仪以外

测量设置的其他方面

还可能对噪声测量的质量

有很大的影响

首先采用一个良好屏蔽和接地的环境

确保屏蔽接地

并减小屏蔽的任何间隙

铜和钢是屏蔽材料的好选择

我们通常使用修改后的钢板油漆罐

作为噪声测试电路的屏蔽罩

如前文所述

如果可能的话

所有电路均采用 BNC 电缆直接连接

采用电池或线性电源

以提供最低噪声的电源测量噪底的时候

BNC 短接帽是非常有用的

不要留下任何未接端或者是悬空的输入

这些会引入外部的噪声

请记住试验的目的是测量运放固有噪声

所以这些预防措施

都集中于消除外部噪声源

现在让我们将所有这些技巧

应用于先前用于计算

和仿真的 OPA627 示例电路中

该电路通过 BNC 线缆

直接连接到示波器中

如先前提到的

直接的 BNC线缆连接

比 10 倍放大的探针更好

因为其噪底会低 10 倍

测得的输入噪声电压是 400uVRMS

而先前视频中的计算结果

是 325uVRMS

与这个测试结果有点差异

这个差异通常都会出现在示波器测量中

它源于芯片制造工艺的偏差

以及测试设备的测量精度限制

在一般情况下

噪声的测试结果和计算结果之间的偏差

应该在±20%的量级

如果结果差异很大

首先应确认该设备已正确连接

并能正常工作

接下来确保测试仪器被正确地配置了

一定要确认测量系统的噪声足够低

以得到准确的测量结果

假设没有任何功能或测试仪器的问题

接下来要考虑的就是外部噪声

可以尝试改善屏蔽的条件

如果在彻底排查电路后仍然看到大的差异

您应该尝试采用频谱分析仪进行噪声测量

从而更深入了解系统的噪声特性

比如说您可能会发现

某一个在特定频率的开关噪声

对输出噪声有着显著的影响

现在让我们用频谱分析仪

来测量 OPA627 的噪声频谱密度曲线

在这个示例中

我们将尝试重现

在 OPA627 数据表中给出的曲线

电路连接如上所示

首先请注意

R1 和 R2 的并联后的阻值是比较小的

以便最大限度地减少热噪声

还要注意的是

采用了一个大容值的陶瓷电容器 C1

用于交流耦合信号输入至频谱分析仪

示波器的输入阻抗

和耦合电容器形成了一个

具有非常低截止频率的高通滤波器

只有 0.008Hz

这对 1/f 噪声特性的测量

是非常重要的

电容耦合是必不可少的

因为相对于噪声来说

直流偏置非常大

因此直流偏置会使频谱分析仪的输入饱和

注意到频谱分析仪本身

也会有交流耦合模式

然而它的截止频率通常太高了

以致不能满足 1/f 噪声测量的要求

在这里我们给出了

基于上一张图片中的电路的

基于上一张图片中的电路的

频谱密度曲线测试结果

注意到该数据在多个范围内收集

对于每一个频率范围内

我们调节了频谱分析仪的测量带宽

以优化精度

例如测量带宽在低频很窄

而在高频会较宽

这使我们在合理的测试时间内

获得良好的测试精度

还要注意的是我们

测量了系统的噪底

无论使用哪种测试仪器

检查其噪底都是很重要的

请记住

如果噪底比你试图测量的信号还大

您是无法得到有效的测试结果的

收集数据之后

您将需要做一些调整

以获得频谱密度曲线

首先

将单独的频率范围组合为一条曲线

其次您会发现

曲线在低频有一个奇怪的尾巴

这是使用频谱分析仪中

常见的异常现象

我们将在下一幻灯片中

进行更详细的讨论

现在只要知道这个数据应该被去除

此外您可能会在频谱密度曲线中

看到一些外部噪音

在这个示例中

您可以看到

所引入的 60Hz 噪声及其谐波

在理想情况下

60Hz 的噪声

可以通过适当的屏蔽消除掉

但这并不总是可能的

最后您需要将测量结果

除以电路的噪声增益

从而得到等效到放大器输入端的噪声

在这里进一步解释了

低频段奇怪的尾巴的产生原因

首先请记住

频谱密度曲线是在对数轴上

所以相对于高频来说

测量带宽在低频区域

相对于低频频率本身来说较宽

因此 在低频区域内

带通滤波器的测量带宽

会捕获到一些不需要的直流分量

以及超出测量频率的 1/f 噪声

从而推高了频谱密度

并产生了低频的尾巴

如前所述

该结果应当被去除

一个好的做法

是将测量频率

设置在您所需要的频率的

10 倍频以下

然后在测量结果中

丢掉低频结果

在这里我们将最终组合后的

频谱密度密度测试结果

和数据表中的结果进行比较

可以发现 1/f 噪声转角

与数据表中的并不一致

这其实并不意外

1/f 噪声转角随着工艺的偏差而变化

数据表中的曲线仅仅展示其典型值

还要注意的是测量结果

与数据表中的结果相比

宽带噪声频谱密度是相吻合的

测得的噪声曲线

可以通过平均和屏蔽进一步地改善

但总体来看

很好地描述了设备的

噪声频谱密度

以上就是本次课程的内容

谢谢您的观看

请准备好下面的一个小测试

看看您是否已掌握本次学习的内容