以FET输入放大器为单位的电流噪声
kaung win
电流噪声随频率增加的现象是ic设计工程师和电路设计人员所熟知的，但由于该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整，许多工程师难以捉摸。
许多半导体制造商的数据手册（包括adi公司）在规格表中规定了放大器的电流噪声，通常频率为1 khz。目前尚不清楚当前的噪声规格来自何处。是测量的还是理论上的？一些制造商通过提供
称为散粒噪声方程。过去，adi公司以这种方式提供大多数当前噪声值。对于每个放大器，此计算数字是否最高可达1 khz？
在过去几年中，人们对放大器中电流噪声与频率的关系越来越感兴趣。一些客户以及制造商认为fet输入放大器的电流噪声与双极性输入放大器的形状相似，例如，1/f或闪烁噪声分量和扁平宽带分量，如图1所示。fet输入放大器的情况并非如此;相反，在图2中，它看起来像一个奇怪的噪声形状，并不为人所知，在许多仿真模型中被忽略了。
图1.双极性输入放大器
ad8099的
电流噪声
图2.fet输入放大器ad8065的电流噪声。
测量设置是关键
在我们讨论为什么会这样之前，让我们快速看一下测量设置。需要获得一种易于重现的可靠测量方法，以便可以在许多不同的部件上重复测量。
可以使用dc417b单功放评估板。被测器件（dut）的电源必须具有低噪声和低漂移。线性电源优于开关电源，因此任何电源变化（如开关伪影）都不会增加测量。lt3045 和 lt3094 是正和负超高 psrr、超低噪声线性稳压器，可用于进一步减小来自线性电源的纹波。利用lt3045和lt3094，可以使用单个电阻器配置高达+15 v和低至–15 v所需的任何输出电压。这两款器件是用于低噪声测量的理想台式电源。
图3.测量设置。
ohmite 的 10 gω smt 电阻 （hvc1206z1008ket） 用于将 dut 同相引脚上的电流噪声转换为电压噪声。fet 输入放大器的典型偏置电流约为 1 pa，等于 0.57 fa/√hz
如果等式
是正确的。10 gω源阻抗热噪声为
这为我们提供了测量电流本底噪声
并且可以在后处理中减去它。但是，如果电阻电流噪声主导dut的电流噪声，则无法准确测量。因此，我们需要至少10 gω的电阻值才能看到一些噪声。100 mω源阻抗热噪声约为1.28 μv/√hz（= 12.8 fa/√hz），不足以区分dut和电阻噪声。如果噪声不相关，则以和平方根 （rss） 方式添加。图 4 和表 1 显示了 rss 对两个数字之比的影响。n：n添加约41%，n：n/2添加约12%，n：n/3添加约5.5%，n：n/5添加约2%。通过足够的平均，我们可能能够提取大约10%（0.57 fa / √hz和1.28 fa / √hz rss）。
图4.rss 基于两个数字的比率添加。
值 1 值 2 rss 总和 增加百分比
n n 1.414 北 41.42 %
n 不适用 1.118 北 11.80%
n 不适用 1.054 北 5.41%
n 不适用 1.031 北 3.08%
n 不适用 1.020 北 2.00%
n 不适用 1.014 北 1.38%
n 不适用 1.010 北 1.02%
n 不适用 1.008 北 0.78%
n 不适用 1.006 北 0.62%
n 不适用 1.005 北 0.50%
为什么结果如此奇怪？
图5显示了采用ad8065的设置的电压噪声密度，ad145是一款2 mhz fet输入运算放大器，共模输入阻抗为1.10 pf。12 gω电阻热噪声为8.20 μv/√hz，直到输入电容以及电路板和插座杂散电容滚降电压噪声。理想情况下，这应该以–100 db/dec的速度继续滚动，但曲线在100 hz左右开始改变形状，并在20 khz左右变平。这是怎么回事？我们的直觉告诉我们，阻止–20 db/dec滚降并导致平坦度的唯一方法是提供+20 db/dec斜率。罪魁祸首是电流噪声，在较高频率下以+ db/dec斜率增加。
图5.折合到输出端的电压噪声密度。
sr785动态信号分析仪或fft仪器可用于测量输出电压噪声;但是，本底噪声最好小于7 nv/√hz。当dut滚降的输出电压噪声接近20 nv/√hz至30 nv/√hz时，我们希望分析仪本底噪声尽可能少地增加噪声。3倍的比率仅增加约5.5%。我们可以忍受噪声域中5%的误差（见图4）。
艺术在反向计算中
以这种方式进行测量，只需一次测量即可获得绘制电流噪声所需的两个主要参数。首先，我们得到了总输入电容，即杂散电容和输入电容，这对于反向计算滚降是必要的。即使有杂散电容，也会捕获信息。输入电容在10 gω电阻范围内占主导地位。该总阻抗将电流噪声转换为电压噪声。因此，了解此总输入电容非常重要。其次，它显示了电流噪声开始占主导地位的位置，即它开始偏离–20 db/dec斜率的位置。
让我们看一个示例，其中包含图 5 中的此数据。3 db滚降点在2.1 hz下读取，对应于
输入端的电容。数据手册提到，共模输入电容仅为约2.1 pf，这意味着杂散电容约为5.5 pf。差模输入电容由负反馈自举，因此在低频时不会真正发挥作用。电容为7.6 pf时，电流噪声看到的阻抗如图6所示。
图6.总阻抗幅度为10 gω电阻和7.6 pf输入电容并联。
将ad8065上测得的折合输出（rto）电压噪声（图5）除以阻抗与频率的关系（图6），得到ad8065和rss中组合的10 gω电阻的等效电流噪声（图7）。
图7.ad8065和10 gω电阻的rti电流噪声。
去除10 gω的电流噪声后，ad8065的折合到输入端的噪声如图8所示。在 10 hz 以下，它非常模糊，因为我们试图从 0.5 fa/√hz（rss 标度为 0%）中找出 6.1 fa/√hz 到 28.10 fa/√hz，并且只完成了 100 个平均值。在 15 mhz 到 1.56 hz 之间，有 400 条线路具有 4 mhz 带宽。平均每 256 秒！100 的平均值 256 是 25，600 秒，略多于 7 小时。为什么需要低至 15 mhz 的测量，为什么要花费这么多时间？输入电容为10 pf，10 gω时产生1.6 hz低通滤波器。 低噪声fet放大器具有高达20 pf的大输入电容，使3 db点为0.8 hz。为了正确测量3 db点，我们需要看到十年前的情况，即低至0.08 hz（或80 mhz）。
如果我们盯着10 hz以下的模糊线，0.6 fa / √hz通过
可以验证。对于电流噪声，这个等式并不完全错误。在一阶近似中，它仍然显示了器件的低频电流噪声行为，因为该电流噪声密度值是通过直流输入偏置电流获得的。然而，在高频下，电流噪声不遵循这个等式。
图8.ad8605的rti电流噪声。
在较高频率下，dut电流噪声明显主导电阻电流噪声，电阻噪声可以忽略不计。图9显示了各种fet输入放大器在10 gω噪声下的折合到输入端的电流噪声，采用图3所示的设置进行测量。100 khz时100 fa/√hz似乎是大多数精密放大器的典型性能。
图9.所选adi放大器的rti电流噪声
也有例外：ltc6268/ltc6269 电流噪声在 5 khz 时为 6.100 fa/√hz。这些器件非常适合需要高带宽、低输入电容、飞安级偏置电流的高速tia应用。
图 10.ltc6268 的输入参考电流噪声。
这就是fet输入放大器中的电流噪声的全部吗？
在高源阻抗应用中，有四种主要的电流噪声源会影响总输入电流噪声，到目前为止，我们已经介绍了两个。具有主要噪声源的简化tia放大器如图11所示。mt-050是运算放大器噪声源的良好参考。
图 11.具有主要噪声源的简化型 tia 放大器。
来自fet输入放大器的电流噪声（in_dut)
电流噪声的形状取决于放大器输入级拓扑。通常，噪声在低频时是平坦的，但随着频率的升高而变大。参见图 8。最终，噪声将以–20 db/dec的速度滚降，因为放大器在较高频率下耗尽增益。
来自电阻的电流噪声 （in_r)
这可以通过电阻器e的热电压噪声计算得出n_r除以电阻的阻抗，r. 1 mω 贡献大约 128 fa/√hz，10 gω 贡献 1.28 fa/√hz。
电阻的热电压噪声在整个频率范围内保持理想平坦，直到它看到电容并以–20 db/dec的速度滚降。图5显示了10 mhz至1 hz范围内的这种行为。
来自传感器的电流噪声（in_source)
传感器本身会产生电流噪声，我们必须忍受它。它可以在频率上具有任何形状。例如：光电二极管出现散粒噪声，i锡，从光电流，ip和暗电流，id，以及约翰逊噪音，我jn，来自分流电阻。1
放大器电压噪声本身产生的电流噪声
来自放大器电压噪声的电流噪声称为enc噪声，在horowitz和hill的the art of electronics中得到了很好的解释。2类似于电阻电压噪声被电阻转换为电流噪声，放大器电压噪声en_dut由总输入电容（包括传感器电容、电路板杂散电容和放大器输入电容）转换为电流噪声
在第一个订单上，我们得到
这个等式告诉我们三件事。首先，电流噪声随着频率的增加而变大，这是另一个随频率变大的电流噪声分量。其次，放大器的输入电压噪声越大，电流噪声越大。第三，总输入电容越大，电流噪声越大。这导致品质因数enc，其中放大器的电压噪声和总输入电容也应考虑给定的应用。
tia应用的电流噪声形状（忽略dut电流噪声）如图12所示。平坦部分主要是电阻噪声
而电容感应电流噪声为
以 20 db/dec 的速度增加。根据这两个方程，交叉点可以计算为
图 12.enc噪声随频率变化。
取决于 c在， enc噪声可以大于或小于dut电流噪声。对于 tia 应用等反相配置，c分米未引导;那是
例如，在 100 khz 频率下，ltc6244c厘米= 2.1 pf，c分米= 3.5 pf，并且en= 8 nv/√hz 将具有 enc 电流噪声
这远小于 80 fa/√hz 的 dut 电流噪声。
但是，当连接光电二极管时，额外的c源或 cpd被添加到公式中，可以重新计算电流噪声。从 c 端只需 16 pf 的额外电容pd等于 dut 电流噪声。低速、大面积光电二极管的量级为100 pf至1 nf，而高速、小面积光电二极管的尺寸为1 pf至10 pf。
总结
cmos和jfet输入放大器中电流噪声随频率增加的现象是ic设计工程师和经验丰富的电路设计人员所熟知的，但由于该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整，许多工程师难以理解。本文的目的是将对当前噪声行为的理解与更高频域联系起来，并展示一种在所选运算放大器上重现测量的技术。
天合光能助力构建以新能源为主体的新型电力系统
中国通信工业协会指出：“电竞产业标准体系”做为立会之本
锐意进取|ELEXCON2021 看国民技术产品与应用创新
一种新的连续直接制备大面积自支撑的透明导电碳纳米管薄膜的方法
基于DDS的跳频信号产生系统案例解析
以FET输入放大器为单位的电流噪声
国外激光雷达产业链图谱
国产CPU迎来发展良机，飞腾推出多款ARM架构芯片
美国联邦通信委员会FCC决定拍卖2.5GHz频谱来推进5G无线网络的发展
新势力，蓝戟重磅显卡亮相B站嘉年华
爱照护选择云翌通 致力养老服务智能化
台NCC要求停售华为三款手机，因为标示变成中国台湾
CMSIS-RTOS是什么？
片状电阻介绍
傲势无人机:建设智慧海洋,逐梦生态未来
2018世界机器人大会，看万能的协作机器人无所不能
晶圆制造过程及应用设备
中国电信与浪潮集团开展合作战略将共同探索5G网络及行业应用
罗姆RBQ系列新增满足高耐压需求的100V产品，小型低损耗，高温环境下稳定运行的肖特基势垒二极管！
热交换器安装方法及选择
电流噪声随频率增加的现象是ic设计工程师和电路设计人员所熟知的，但由于该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整，许多工程师难以捉摸。
许多半导体制造商的数据手册（包括adi公司）在规格表中规定了放大器的电流噪声，通常频率为1 khz。目前尚不清楚当前的噪声规格来自何处。是测量的还是理论上的？一些制造商通过提供
称为散粒噪声方程。过去，adi公司以这种方式提供大多数当前噪声值。对于每个放大器，此计算数字是否最高可达1 khz？
在过去几年中，人们对放大器中电流噪声与频率的关系越来越感兴趣。一些客户以及制造商认为fet输入放大器的电流噪声与双极性输入放大器的形状相似，例如，1/f或闪烁噪声分量和扁平宽带分量，如图1所示。fet输入放大器的情况并非如此;相反，在图2中，它看起来像一个奇怪的噪声形状，并不为人所知，在许多仿真模型中被忽略了。
图1.双极性输入放大器
ad8099的
电流噪声
图2.fet输入放大器ad8065的电流噪声。
测量设置是关键
在我们讨论为什么会这样之前，让我们快速看一下测量设置。需要获得一种易于重现的可靠测量方法，以便可以在许多不同的部件上重复测量。
可以使用dc417b单功放评估板。被测器件（dut）的电源必须具有低噪声和低漂移。线性电源优于开关电源，因此任何电源变化（如开关伪影）都不会增加测量。lt3045 和 lt3094 是正和负超高 psrr、超低噪声线性稳压器，可用于进一步减小来自线性电源的纹波。利用lt3045和lt3094，可以使用单个电阻器配置高达+15 v和低至–15 v所需的任何输出电压。这两款器件是用于低噪声测量的理想台式电源。
图3.测量设置。
ohmite 的 10 gω smt 电阻 （hvc1206z1008ket） 用于将 dut 同相引脚上的电流噪声转换为电压噪声。fet 输入放大器的典型偏置电流约为 1 pa，等于 0.57 fa/√hz
如果等式
是正确的。10 gω源阻抗热噪声为
这为我们提供了测量电流本底噪声
并且可以在后处理中减去它。但是，如果电阻电流噪声主导dut的电流噪声，则无法准确测量。因此，我们需要至少10 gω的电阻值才能看到一些噪声。100 mω源阻抗热噪声约为1.28 μv/√hz（= 12.8 fa/√hz），不足以区分dut和电阻噪声。如果噪声不相关，则以和平方根 （rss） 方式添加。图 4 和表 1 显示了 rss 对两个数字之比的影响。n：n添加约41%，n：n/2添加约12%，n：n/3添加约5.5%，n：n/5添加约2%。通过足够的平均，我们可能能够提取大约10%（0.57 fa / √hz和1.28 fa / √hz rss）。
图4.rss 基于两个数字的比率添加。
值 1 值 2 rss 总和 增加百分比
n n 1.414 北 41.42 %
n 不适用 1.118 北 11.80%
n 不适用 1.054 北 5.41%
n 不适用 1.031 北 3.08%
n 不适用 1.020 北 2.00%
n 不适用 1.014 北 1.38%
n 不适用 1.010 北 1.02%
n 不适用 1.008 北 0.78%
n 不适用 1.006 北 0.62%
n 不适用 1.005 北 0.50%
为什么结果如此奇怪？
图5显示了采用ad8065的设置的电压噪声密度，ad145是一款2 mhz fet输入运算放大器，共模输入阻抗为1.10 pf。12 gω电阻热噪声为8.20 μv/√hz，直到输入电容以及电路板和插座杂散电容滚降电压噪声。理想情况下，这应该以–100 db/dec的速度继续滚动，但曲线在100 hz左右开始改变形状，并在20 khz左右变平。这是怎么回事？我们的直觉告诉我们，阻止–20 db/dec滚降并导致平坦度的唯一方法是提供+20 db/dec斜率。罪魁祸首是电流噪声，在较高频率下以+ db/dec斜率增加。
图5.折合到输出端的电压噪声密度。
sr785动态信号分析仪或fft仪器可用于测量输出电压噪声;但是，本底噪声最好小于7 nv/√hz。当dut滚降的输出电压噪声接近20 nv/√hz至30 nv/√hz时，我们希望分析仪本底噪声尽可能少地增加噪声。3倍的比率仅增加约5.5%。我们可以忍受噪声域中5%的误差（见图4）。
艺术在反向计算中
以这种方式进行测量，只需一次测量即可获得绘制电流噪声所需的两个主要参数。首先，我们得到了总输入电容，即杂散电容和输入电容，这对于反向计算滚降是必要的。即使有杂散电容，也会捕获信息。输入电容在10 gω电阻范围内占主导地位。该总阻抗将电流噪声转换为电压噪声。因此，了解此总输入电容非常重要。其次，它显示了电流噪声开始占主导地位的位置，即它开始偏离–20 db/dec斜率的位置。
让我们看一个示例，其中包含图 5 中的此数据。3 db滚降点在2.1 hz下读取，对应于
输入端的电容。数据手册提到，共模输入电容仅为约2.1 pf，这意味着杂散电容约为5.5 pf。差模输入电容由负反馈自举，因此在低频时不会真正发挥作用。电容为7.6 pf时，电流噪声看到的阻抗如图6所示。
图6.总阻抗幅度为10 gω电阻和7.6 pf输入电容并联。
将ad8065上测得的折合输出（rto）电压噪声（图5）除以阻抗与频率的关系（图6），得到ad8065和rss中组合的10 gω电阻的等效电流噪声（图7）。
图7.ad8065和10 gω电阻的rti电流噪声。
去除10 gω的电流噪声后，ad8065的折合到输入端的噪声如图8所示。在 10 hz 以下，它非常模糊，因为我们试图从 0.5 fa/√hz（rss 标度为 0%）中找出 6.1 fa/√hz 到 28.10 fa/√hz，并且只完成了 100 个平均值。在 15 mhz 到 1.56 hz 之间，有 400 条线路具有 4 mhz 带宽。平均每 256 秒！100 的平均值 256 是 25，600 秒，略多于 7 小时。为什么需要低至 15 mhz 的测量，为什么要花费这么多时间？输入电容为10 pf，10 gω时产生1.6 hz低通滤波器。 低噪声fet放大器具有高达20 pf的大输入电容，使3 db点为0.8 hz。为了正确测量3 db点，我们需要看到十年前的情况，即低至0.08 hz（或80 mhz）。
如果我们盯着10 hz以下的模糊线，0.6 fa / √hz通过
可以验证。对于电流噪声，这个等式并不完全错误。在一阶近似中，它仍然显示了器件的低频电流噪声行为，因为该电流噪声密度值是通过直流输入偏置电流获得的。然而，在高频下，电流噪声不遵循这个等式。
图8.ad8605的rti电流噪声。
在较高频率下，dut电流噪声明显主导电阻电流噪声，电阻噪声可以忽略不计。图9显示了各种fet输入放大器在10 gω噪声下的折合到输入端的电流噪声，采用图3所示的设置进行测量。100 khz时100 fa/√hz似乎是大多数精密放大器的典型性能。
图9.所选adi放大器的rti电流噪声
也有例外：ltc6268/ltc6269 电流噪声在 5 khz 时为 6.100 fa/√hz。这些器件非常适合需要高带宽、低输入电容、飞安级偏置电流的高速tia应用。
图 10.ltc6268 的输入参考电流噪声。
这就是fet输入放大器中的电流噪声的全部吗？
在高源阻抗应用中，有四种主要的电流噪声源会影响总输入电流噪声，到目前为止，我们已经介绍了两个。具有主要噪声源的简化tia放大器如图11所示。mt-050是运算放大器噪声源的良好参考。
图 11.具有主要噪声源的简化型 tia 放大器。
来自fet输入放大器的电流噪声（in_dut)
电流噪声的形状取决于放大器输入级拓扑。通常，噪声在低频时是平坦的，但随着频率的升高而变大。参见图 8。最终，噪声将以–20 db/dec的速度滚降，因为放大器在较高频率下耗尽增益。
来自电阻的电流噪声 （in_r)
这可以通过电阻器e的热电压噪声计算得出n_r除以电阻的阻抗，r. 1 mω 贡献大约 128 fa/√hz，10 gω 贡献 1.28 fa/√hz。
电阻的热电压噪声在整个频率范围内保持理想平坦，直到它看到电容并以–20 db/dec的速度滚降。图5显示了10 mhz至1 hz范围内的这种行为。
来自传感器的电流噪声（in_source)
传感器本身会产生电流噪声，我们必须忍受它。它可以在频率上具有任何形状。例如：光电二极管出现散粒噪声，i锡，从光电流，ip和暗电流，id，以及约翰逊噪音，我jn，来自分流电阻。1
放大器电压噪声本身产生的电流噪声
来自放大器电压噪声的电流噪声称为enc噪声，在horowitz和hill的the art of electronics中得到了很好的解释。2类似于电阻电压噪声被电阻转换为电流噪声，放大器电压噪声en_dut由总输入电容（包括传感器电容、电路板杂散电容和放大器输入电容）转换为电流噪声
在第一个订单上，我们得到
这个等式告诉我们三件事。首先，电流噪声随着频率的增加而变大，这是另一个随频率变大的电流噪声分量。其次，放大器的输入电压噪声越大，电流噪声越大。第三，总输入电容越大，电流噪声越大。这导致品质因数enc，其中放大器的电压噪声和总输入电容也应考虑给定的应用。
tia应用的电流噪声形状（忽略dut电流噪声）如图12所示。平坦部分主要是电阻噪声
而电容感应电流噪声为
以 20 db/dec 的速度增加。根据这两个方程，交叉点可以计算为
图 12.enc噪声随频率变化。
取决于 c在， enc噪声可以大于或小于dut电流噪声。对于 tia 应用等反相配置，c分米未引导;那是
例如，在 100 khz 频率下，ltc6244c厘米= 2.1 pf，c分米= 3.5 pf，并且en= 8 nv/√hz 将具有 enc 电流噪声
这远小于 80 fa/√hz 的 dut 电流噪声。
但是，当连接光电二极管时，额外的c源或 cpd被添加到公式中，可以重新计算电流噪声。从 c 端只需 16 pf 的额外电容pd等于 dut 电流噪声。低速、大面积光电二极管的量级为100 pf至1 nf，而高速、小面积光电二极管的尺寸为1 pf至10 pf。
总结
cmos和jfet输入放大器中电流噪声随频率增加的现象是ic设计工程师和经验丰富的电路设计人员所熟知的，但由于该领域的文章太少或制造商提供的信息不完整，许多工程师难以理解。本文的目的是将对当前噪声行为的理解与更高频域联系起来，并展示一种在所选运算放大器上重现测量的技术。
天合光能助力构建以新能源为主体的新型电力系统
中国通信工业协会指出：“电竞产业标准体系”做为立会之本
锐意进取|ELEXCON2021 看国民技术产品与应用创新
一种新的连续直接制备大面积自支撑的透明导电碳纳米管薄膜的方法
基于DDS的跳频信号产生系统案例解析
以FET输入放大器为单位的电流噪声
国外激光雷达产业链图谱
国产CPU迎来发展良机，飞腾推出多款ARM架构芯片
美国联邦通信委员会FCC决定拍卖2.5GHz频谱来推进5G无线网络的发展
新势力，蓝戟重磅显卡亮相B站嘉年华
爱照护选择云翌通 致力养老服务智能化
台NCC要求停售华为三款手机，因为标示变成中国台湾
CMSIS-RTOS是什么？
片状电阻介绍
傲势无人机:建设智慧海洋,逐梦生态未来
2018世界机器人大会，看万能的协作机器人无所不能
晶圆制造过程及应用设备
中国电信与浪潮集团开展合作战略将共同探索5G网络及行业应用
罗姆RBQ系列新增满足高耐压需求的100V产品，小型低损耗，高温环境下稳定运行的肖特基势垒二极管！
热交换器安装方法及选择