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| SPICE雜訊分析介紹 |
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運算放大器電路固有雜訊之分析與測量（4）
【作者： Art Kay】 2008年01月07日 星期一
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本系列的第三篇文章，以手算方式分析一個簡單運算放大器電路，本篇則將利用TINA SPICE電路模擬軟體來分析運算放大器的電路。在本文中，將介紹TINA雜訊分析，並示範如何測試運算放大器巨集模型可否精確模擬雜訊的方法。必須注意的是，有些模型可能無法準確地模擬雜訊，所以本文使用一個簡單的測試程序來檢查模擬結果的正確性。另外，為了解決模型不精確的問題，文中還將利用數個獨立雜訊源和一個通用運算放大器來建立一套自己的模型。
運算放大器模型的雜訊精確度測試
如(圖一)所呈現的，是用以驗證運算放大器雜訊模型精確度的測試電路。由於TINA的輸出雜訊分析功能僅適用於雜訊電壓，因此測試電路須先利用電流控制型電壓源CCV1將雜訊電流轉換為雜訊電壓。CCV1的增益必須如圖所示設為1，使電流能夠直接轉換為電壓。
為了將輸入雜訊反映到輸出端，此處還讓運算放大器採用電壓隨耦架構。TINA會利用兩個輸出測量電路節點voltage_noise和current_noise來產生雜訊圖。由於TINA需要輸入源才能執行雜訊分析，因此電路還增加了一個VG1電壓源。雖然此處將VG1設為正弦波，但這對雜訊分析的影響並不大，請參閱(圖二)。
| 《圖一 雜訊測試電路組態配置（設定CCV1增益）》 |
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接著要來執行雜訊分析。首先如(圖三)所示，從功能選單的「Analysis\Noise Analysis」開啟雜訊分析表單，然後在表單裡輸入目標頻率範圍的起始與結束頻率。這個頻率範圍是由受測之運算放大器的規格所決定。此處以OPA227為例，查閱規格表，發現其雜訊的適用區間是0.1Hz至10kHz，即為分析時可選擇的適當頻率範圍。接著再從「Diagrams」功能選單裡選擇「Output Noise」選項，電路的每個測量點便會產生一條頻譜密度曲線。利用這些設定進行模擬，即可得到voltage_noise和current_noise兩個電路節點的頻譜密度曲線。
| 《圖二 雜訊測試電路組態配置（設定CCV1訊號源）》 |
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本文藉由幾個小技巧將這些曲線轉換為更有用的形式。首先，打開「View」功能選單裡的「Separate Curves」，點選Y軸並選擇「Logarithmic」座標，然後將上限與下限設定在適當範圍內（四捨五入為10的冪次方），同時將「Ticks」的數目調整為1+Number_of_Decades。譬如，這個例子的範圍共涵蓋3個數量級（從100f到100p），故須將「Ticks」設為4。
| 《圖三 執行「Noise Analysis」功能》 |
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如(圖四)是模擬結果與OPA227資料表的比較，可發現兩者幾乎完全相同，代表TINA-TI的OPA227模型可精確模擬雜訊。接著對OPA627模型執行同樣的程序，結果顯示，OPA627模型並未通過測試，因為模擬所得的電流雜訊頻譜密度約為3.5-21A/Hz0.5，與元件規格表的2.5-15A/Hz0.5有相當落差。除此之外，模擬產生的電壓雜訊也未包含1/f區域。在接下來的討論中，將為這顆運算放大器建立一個能夠正確模擬雜訊的模型。
自行建立雜訊模型
本系列的第二篇文章曾介紹運算放大器的雜訊模型，其中包含1個運算放大器、1個電壓雜訊源和1個電流雜訊源。在此則將利用多個獨立雜訊源和一個通用運算放大器建立雜訊模型。
如(圖五)中是用來產生雜訊模型的電路。它所採用的是前述測試架構，輸入端之間還連接一個電流雜訊源。嚴格來說，其實有兩個電流雜訊源，只不過產品資料表不見得會清楚說明其間的相關性。另外，在不同的電流回授放大器裡，這些雜訊源的振幅也不相同。這些問題在後續文章會再詳述，此處的重點在於修改該電路，使其能正確模擬OPA627的雜訊特性。
首先須設定雜訊電壓源。請先用滑鼠右鍵點選該雜訊源，然後選擇「Enter Macro」，請參考(圖六)。接著選擇「Macro」，打開包含該雜訊源SPICE巨集模型清單的文字編輯器。(圖七)顯示的「PARAM」資訊必須經過修正來配合資料表內容。請注意，NLF是1/f區域內某個點的雜訊頻譜密度振幅（單位為nV/Hz0.5），FLW則為該點的頻率。
接著利用NVR參數輸入寬頻雜訊頻譜密度。請注意，由於寬頻雜訊在所有頻率下的振幅都相同，如(圖八)所示，這裡不必輸入頻率。輸入雜訊資訊後，接著就要編譯和關閉SPICE文字編輯程式。首先點選核取方塊，此時狀態列會出現「Successfully compiled」的訊息。然後打開「File」功能目錄，選擇「Close」回到線路圖編輯程式，請參考(圖九)。
雜訊電流源也得執行同樣的程序。在這個例子裡，電流雜訊源並沒有1/f雜訊，故可將寬頻和1/f雜訊的「PARAM」設為相同值（2.5fA/Hz0.5），同時將1/f頻率設在正常目標頻率範圍外的某個很低頻率，例如0.001Hz，如(圖十）所示。
現在兩個雜訊源已設定完畢，接下來必須編輯通用運算放大器模型的部份交流參數，特別是開迴路增益和主要極點（dominant pole），由於它們會影響放大器的閉迴路頻寬，因而影響電路的雜訊效能。資料表通常以dB值呈現開迴路的增益，(公式一)可將dB轉換為線性增益，(公式二)則能計算Aol曲線的主要極點。在範例一裡將計算OPA627的主要極點，其位置如(圖十一)所示。
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接著要編輯通用運算放大器模型，使其包含開迴路增益和主要極點。首先以滑鼠雙點選運算放大器符號並按下「Type」按鍵，啟動目錄編輯器「Catalog Editor」。接著從目錄編輯器修改「Open loop gain」，使其等於範例一的計算結果。整個過程如(圖十二)所示。運算放大器雜訊模型至此已完成。
以TINA分析本系列第三篇文章的電路
如(圖十三)是輸入到Tina SPICE的OPA627線路圖，其中雜訊源和運算放大器都是本文所自行設計，Rf和R1電阻值則與第三篇文章的電路完全相同。
執行Tina SPICE雜訊分析時，先從下拉式功能選單選擇「Analysis\Noise Analysis」，開啟雜訊分析表單。接著選擇表單裡的「Output Noise」和「Total Noise」選項，前者會產生所有測量節點的雜訊頻譜密度曲線，後者則會產生積分後的功率頻譜密度曲線，這個總雜訊曲線可用以計算電路的均方根輸出雜訊電壓。
TINA雜訊分析結果如(圖十四)和(圖十五)所示。圖十九是放大器輸出端的雜訊頻譜密度（亦即輸出雜訊），這條曲線把所有的雜訊源綜合起來，還涵蓋了雜訊增益和雜訊頻寬的影響。圖二十是放大器輸出端在特定頻寬的總雜訊，而這條曲線是由功率頻譜密度曲線（亦即電壓頻譜密度的平方）積分而得，其高頻部份固定為323μVrms。此結果相當吻合第三篇文章計算所得的均方根雜訊（當時運算結果為324μV）。這是由於運算放大器的頻寬限制，故該高頻雜訊為固定值。
結語
本文介紹TINA SPICE電路模擬套件，並發展出一套使用TINA的簡單測試程序，可用以檢查運算放大器模型。由於某些模型無法通過這套測試程序，文章中還利用多個獨立雜訊源和一個通用運算放大器自行建立雜訊模型。另外，本文也利用TINA模擬第三篇文章中以手算分析所得的電路範例，並且計算出它的雜訊值。此系列的第五篇文章將探討各種雜訊的測量方法，並且實際測量先前計算所得的雜訊。
---作者為TI德州儀器資深應用工程師---
＜參考資料：
[1]. Robert V. Hogg, and Elliot A Tanis, Probability and Statistical Inference, 3rd Edition, Macmillan Publishing Co.
[2]. C. D. Motchenbacher, and J. A. Connelly, Low-Noise Electronic System Design, a Wiley-Interscience Publication.
[3]. 作者並特別感謝以下人員的專業技術分享：
●Rod Burt, Senior Analog IC Design Manager, TI
●Bruce Trump, Manager Linear Products, TI
●Tim Green, Applications Engineering Manager, TI
●Neil Albaugh, Senior Applications Engineer, TI
●Bill Sands, Consultant, Analog and Rf Models: http://www.home.earthlink.net/%7ewksands/＞
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