经验法则 :威廉希尔官方网站
板和系统级设计人员需要了解的一点是,Iq 和宽带噪声呈负相关。严格来说,噪声与运算放大器输入差动级的偏置相关。但是,由于这类信息还没有正式公布过,所以我们可以假定 Iq 与差动级偏置成正比。对于低噪声放大器来说,这个假设是成立的。
一般说来,宽带噪声与 Iq 的平方根成反比。但是,对于不同的偏置方案这个反比关系也会发生变化。此条经验法则有助于威廉希尔官方网站
板和系统级设计人员更好地了解 Iq 和噪声之间的折衷方法。例如,设计人员不应该指望放大器带有极低的静电流,进而产生低噪声。图 7.4 图解说明了该关系。
经验法则 :FET 运算放大器固有电流噪声非常低。这也说明了双极与 FET 晶体管以及噪声之间的差异。因为 FET 放大器的输入栅极电流比双极放大器的输入基极电流小得多。相反,在给定一个偏置电流值(如,输入级的集电极电流或漏极电流)的情况下,双极放大器具有更低的电压噪声,请参见图 7.5 的多个示例。
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如图 7.14 所示,我们可以将闪烁噪声分量转换成一个电压噪声。请注意,闪烁噪声随温度的升高而增大,并随 Ic 的变化而降低。然而,闪烁噪声极易受工艺变化的影响,以至于闪烁噪声常量的变化可能会成为噪声的主要来源。这不同于常量不受工艺变化影响的宽带情况。第二个经验法则就是基于这个基本关系得出的。
FET 噪声详细的数学计算方法
图 7.15 为 MOSFET 和 JFET 晶体管噪声模型示意图。图 7.16(方程式 4 和 5)给出了 FET 晶体管的基本噪声关系。在这一节里,我们将利用这些方程式来说明该经验法则也同样适用于 FET 晶体管。图 7.17 为处理过的热噪声方程式,该方程式用于强反相 (strong inversion) FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置。强反相是指 FET 偏置区。强反相的计算结果为热噪声与 Id 的四次方根成反比。热噪声与绝对温度的平方根成正比还是与绝对温度的四次方根成正比取决于偏置类型。因此,与双极放大器相比,Iq 或温度上的变化对强反相 FET 放大器的影响要小得多。
图 7.18 给出了将一个热噪声方程式用于弱反相 FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置的操作。弱反相是指 FET 偏置区。弱反相的计算结果为热噪声与 Id 的平方根成反比。热噪声与温度成正比还是与温度的平方根成正比取决于偏置类型。因此,弱反相 FET 放大器和电流及温度的关系与双极偏置放大器和电流及温度的关系相似。
图 7.19为处理过的闪烁噪声方程式,该方程式用于强反相 FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置。请注意,方程式中的“a”为介于 0.5 和 2 之间的一个常数。因此,闪烁噪声可能和 Id 成正比,或者和 Id 的幂成反比,这取决于“a”的值。对于一款 Zero-TC 偏置方案来说,闪烁噪声的值并不取决于温度。对于一款 PTAT 偏置方案来说,闪烁噪声和温度的平方根成正比。
图 7.20 显示了用于计算一个弱反相 FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置的闪烁噪声方程式。请注意,“a”是一个介于 0.5 至 2 之间的常数。因此,在所有情况下,闪烁噪声都与 Id 的幂成反比。就一个 Zero-TC 偏置而言,闪烁噪声将会与绝对温度成正比;就一个 PTAT 偏置而言,温度关系则取决于 a 的值。
如图 7.14 所示,我们可以将闪烁噪声分量转换成一个电压噪声。请注意,闪烁噪声随温度的升高而增大,并随 Ic 的变化而降低。然而,闪烁噪声极易受工艺变化的影响,以至于闪烁噪声常量的变化可能会成为噪声的主要来源。这不同于常量不受工艺变化影响的宽带情况。第二个经验法则就是基于这个基本关系得出的。
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图 7.15 为 MOSFET 和 JFET 晶体管噪声模型示意图。图 7.16(方程式 4 和 5)给出了 FET 晶体管的基本噪声关系。在这一节里,我们将利用这些方程式来说明该经验法则也同样适用于 FET 晶体管。图 7.17 为处理过的热噪声方程式,该方程式用于强反相 (strong inversion) FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置。强反相是指 FET 偏置区。强反相的计算结果为热噪声与 Id 的四次方根成反比。热噪声与绝对温度的平方根成正比还是与绝对温度的四次方根成正比取决于偏置类型。因此,与双极放大器相比,Iq 或温度上的变化对强反相 FET 放大器的影响要小得多。
图 7.18 给出了将一个热噪声方程式用于弱反相 FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置的操作。弱反相是指 FET 偏置区。弱反相的计算结果为热噪声与 Id 的平方根成反比。热噪声与温度成正比还是与温度的平方根成正比取决于偏置类型。因此,弱反相 FET 放大器和电流及温度的关系与双极偏置放大器和电流及温度的关系相似。
图 7.19为处理过的闪烁噪声方程式,该方程式用于强反相 FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置。请注意,方程式中的“a”为介于 0.5 和 2 之间的一个常数。因此,闪烁噪声可能和 Id 成正比,或者和 Id 的幂成反比,这取决于“a”的值。对于一款 Zero-TC 偏置方案来说,闪烁噪声的值并不取决于温度。对于一款 PTAT 偏置方案来说,闪烁噪声和温度的平方根成正比。
图 7.20 显示了用于计算一个弱反相 FET 的 PTAT 和 Zero-TC 偏置的闪烁噪声方程式。请注意,“a”是一个介于 0.5 至 2 之间的常数。因此,在所有情况下,闪烁噪声都与 Id 的幂成反比。就一个 Zero-TC 偏置而言,闪烁噪声将会与绝对温度成正比;就一个 PTAT 偏置而言,温度关系则取决于 a 的值。