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| HSPICE杂讯分析介绍 |
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运算放大器电路固有杂讯之分析与测量（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，以手算方式分析一个简单运算放大器电路，本篇则将利用TINA SPICE电路模拟软体来分析运算放大器的电路。在本文中，将介绍TINA杂讯分析，并示范如何测试运算放大器巨集模型可否精确模拟杂讯的方法。必须注意的是，有些模型可能无法准确地模拟杂讯，所以本文使用一个简单的测试程序来检查模拟结果的正确性。另外，为了解决模型不精确的问题，文中还将利用数个独立杂讯源和一个通用运算放大器来建立一套自己的模型。
运算放大器模型的杂讯精确度测试
如(图一)所呈现的，是用以验证运算放大器杂讯模型精确度的测试电路。由于TINA的输出杂讯分析功能仅适用于杂讯电压，因此测试电路须先利用电流控制型电压源CCV1将杂讯电流转换为杂讯电压。 CCV1的增益必须如图所示设为1，使电流能够直接转换为电压。
为了将输入杂讯反映到输出端，此处还让运算放大器采用电压随耦架构。 TINA会利用两个输出测量电路节点voltage_noise和current_noise来产生杂讯图。由于TINA需要输入源才能执行杂讯分析，因此电路还增加了一个VG1电压源。虽然此处将VG1设为正弦波，但这对杂讯分析的影响并不大，请参阅(图二)。
| 《图一 噪声测试电路组态配置（设定CCV1增益）》 |
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接着要来执行杂讯分析。首先如(图三)所示，从功能选单的「Analysis\Noise Analysis」开启杂讯分析表单，然后在表单里输入目标频率范围的起始与结束频率。这个频率范围是由受测之运算放大器的规格所决定。此处以OPA227为例，查阅规格表，发现其杂讯的适用区间是0.1Hz至10kHz，即为分析时可选择的适当频率范围。接着再从「Diagrams」功能选单里选择「Output Noise」选项，电路的每个测量点便会产生一条频谱密度曲线。利用这些设定进行模拟,即可得到voltage noise和current_noise两个电路节点的频谱密度曲线。
| 《图二 噪声测试电路组态配置（设定CCV1讯号源）》 |
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本文藉由几个小技巧将这些曲线转换为更有用的形式。首先，打开「View」功能选单里的「Separate Curves」，点选Y轴并选择「Logarithmic」座标，然后将上限与下限设定在适当范围内（四舍五入为10的幂次方），同时将「Ticks 」的数目调整为1+Number_of_Decades。譬如，这个例子的范围共涵盖3个数量级（从100f到100p），故须将「Ticks」设为4。
| 《图三 执行「Noise Analysis」功能》 |
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如(图四)是模拟结果与OPA227资料表的比较，可发现两者几乎完全相同，代表TINA-TI的OPA227模型可精确模拟杂讯。接着对OPA627模型执行同样的程序，结果显示，OPA627模型并未通过测试，因为模拟所得的电流杂讯频谱密度约为3.5-21A/Hz0.5，与元件规格表的2.5-15A/Hz0.5有相当落差。除此之外，模拟产生的电压杂讯也未包含1/f区域。在接下来的讨论中，将为这颗运算放大器建立一个能够正确模拟杂讯的模型。
自行建立杂讯模型
本系列的第二篇文章曾介绍运算放大器的杂讯模型，其中包含1个运算放大器、1个电压杂讯源和1个电流杂讯源。在此则将利用多个独立杂讯源和一个通用运算放大器建立杂讯模型。
如(图五)中是用来产生杂讯模型的电路。它所采用的是前述测试架构，输入端之间还连接一个电流杂讯源。严格来说，其实有两个电流杂讯源，只不过产品资料表不见得会清楚说明其间的相关性。另外，在不同的电流回授放大器里，这些杂讯源的振幅也不相同。这些问题在后续文章会再详述，此处的重点在于修改该电路，使其能正确模拟OPA627的杂讯特性。
首先须设定杂讯电压源。请先用滑鼠右键点选该杂讯源，然后选择「Enter Macro」，请参考(图六)。接着选择「Macro」，打开包含该杂讯源SPICE巨集模型清单的文字编辑器。 (图七)显示的「PARAM」资讯必须经过修正来配合资料表内容。请注意，NLF是1/f区域内某个点的杂讯频谱密度振幅（单位为nV/Hz0.5），FLW则为该点的频率。
接着利用NVR参数输入宽频杂讯频谱密度。请注意，由于宽频杂讯在所有频率下的振幅都相同，如(图八)所示，这里不必输入频率。输入杂讯资讯后，接着就要编译和关闭SPICE文字编辑程式。首先点选核取方块，此时状态列会出现「Successfully compiled」的讯息。然后打开「File」功能目录，选择「Close」回到线路图编辑程式，请参考(图九)。
杂讯电流源也得执行同样的程序。在这个例子里，电流杂讯源并没有1/f杂讯，故可将宽频和1/f杂讯的「PARAM」设为相同值（2.5fA/Hz0.5），同时将1/f频率设在正常目标频率范围外的某个很低频率，例如0.001Hz，如(图十）所示。
现在两个杂讯源已设定完毕，接下来必须编辑通用运算放大器模型的部份交流参数，特别是开回路增益和主要极点（dominant pole），由于它们会影响放大器的闭回路频宽，因而影响电路的杂讯效能。资料表通常以dB值呈现开回路的增益，(公式一)可将dB转换为线性增益，(公式二)则能计算Aol曲线的主要极点。在范例一里将计算OPA627的主要极点，其位置如(图十一)所示。
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接着要编辑通用运算放大器模型，使其包含开回路增益和主要极点。首先以滑鼠双点选运算放大器符号并按下「Type」按键，启动目录编辑器「Catalog Editor」。接着从目录编辑器修改「Open loop gain」，使其等于范例一的计算结果。整个过程如(图十二)所示。运算放大器杂讯模型至此已完成。
以TINA分析本系列第三篇文章的电路
如(图十三)是输入到Tina SPICE的OPA627线路图，其中杂讯源和运算放大器都是本文所自行设计，Rf和R1电阻值则与第三篇文章的电路完全相同。
执行Tina SPICE杂讯分析时，先从下拉式功能选单选择「Analysis\Noise Analysis」，开启杂讯分析表单。接着选择表单里的「Output Noise」和「Total Noise」选项，前者会产生所有测量节点的杂讯频谱密度曲线，后者则会产生积分后的功率频谱密度曲线，这个总杂讯曲线可用以计算电路的均方根输出杂讯电压。
TINA杂讯分析结果如(图十四)和(图十五)所示。图十九是放大器输出端的杂讯频谱密度（亦即输出杂讯），这条曲线把所有的杂讯源综合起来，还涵盖了杂讯增益和杂讯频宽的影响。图二十是放大器输出端在特定频宽的总杂讯，而这条曲线是由功率频谱密度曲线（亦即电压频谱密度的平方）积分而得，其高频部份固定为323μVrms。此结果相当吻合第三篇文章计算所得的均方根杂讯（当时运算结果为324μV）。这是由于运算放大器的频宽限制，故该高频杂讯为固定值。
结语
本文介绍TINA SPICE电路模拟套件，并发展出一套使用TINA的简单测试程序，可用以检查运算放大器模型。由于某些模型无法通过这套测试程序，文章中还利用多个独立杂讯源和一个通用运算放大器自行建立杂讯模型。另外，本文也利用TINA模拟第三篇文章中以手算分析所得的电路范例，并且计算出它的杂讯值。此系列的第五篇文章将探讨各种杂讯的测量方法，并且实际测量先前计算所得的杂讯。
---作者为TI德州仪器资深应用工程师---
＜参考资料：
[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]. 作者并特别感谢以下人员的专业技术分享：
●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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