本文探討了噪聲敏感應用中可用于識別和優(yōu)化器件/組件選擇的仿真方法之一。我們將首先指出Ltspice的一個特點模擬,允許這一標準組件,然后引入一個方法,允許這一功能的操作放大器(OPamps)使用在信號路徑。由于低噪音通常與更高的耗電量和更高的成本有關(guān),這個工具可以讓你選擇最低功率和最具成本效益的解決方案,以滿足設(shè)計的要求。
設(shè)計一個涉及傳感器(小信號)、放大器、濾波器和數(shù)據(jù)采集(ADC)的信號路徑的挑戰(zhàn)之一是確定信號在數(shù)字化或以其他方式處理之前所經(jīng)過的各個組件和塊的噪聲貢獻。如果設(shè)計正確,大部分增益在前端,任務(wù)就更簡單了,因為選擇最低噪聲前端可以確保最高信噪比,并最大限度地減小其他電路的影響。
但是,如果不能作出這種明確的區(qū)分,和/或申請必須在噪音必須充分優(yōu)化的地方達到最低水平的噪音和信號完整性,該怎么辦?
標準組件的噪音分析
工程師們已經(jīng)有效地使用了Ltspice進行了噪聲影響研究和優(yōu)化,因為LTPSY允許你點擊某一特定設(shè)備(即電阻器和晶體管)在模擬中,并立即將其輸出噪聲貢獻作為噪聲分析中的噪聲密度圖。
圖1展示了一個例子模擬,其中輸出噪聲和其他電阻噪聲的貢獻是并排繪制的,以容易看到每個相對于凈輸出噪聲的相對重要性。此外,可以將這些噪音密度圖中的任何一塊整合起來,以看到它在整個頻率范圍內(nèi)的影響,R3是100NV/N2OHz平面帶中的最高電阻貢獻者。
Ltspice是一個非常強大的模擬工具,包括電阻和晶體管,在建模和跟蹤他們的噪音貢獻。然而,您可能需要一個替代解決方案來考慮其他組件/構(gòu)件。對于那些設(shè)備,例如帶有加密宏觀模型的OP安培,可能會分散在整個電路和模擬文件中。
圖1模擬輸出噪聲和每個電阻的噪聲貢獻。
為了充分說明這里指的是什么,以及如何對操作放大器進行噪聲分析,有必要首先介紹一個人如何在LTPASY中添加一個理想化的操作放大器。圖2顯示了構(gòu)建在Ltspice教育庫中的"普遍性"文件。它展示了一個簡化的OPAMP模型,五個層次的復雜度不斷增加,包含了最簡單到最復雜的版本,所有輸出同時繪制。這是一個有用的宏觀模型,可以復制到任何設(shè)計中,并且可以很容易地操作/編輯,以找到每個參數(shù)的影響。
將分析擴展到amplifier
當涉及到確定設(shè)備的預期噪聲影響時,模擬放大器可以是一個強大的模擬工具。通過使用這個LtspiceIN組件,你可以很容易地改變它的電壓噪音,電流噪音,和每個噪音源的相應角頻率,以查看結(jié)果輸出/輸入噪音。有了這些信息,你就可以明智地為這項工作挑選合適的設(shè)備,知道設(shè)計的準確的噪聲公差。
圖3展示了這種方法,圖1的電路被修改為采用模擬放大器。當噪音電流在設(shè)置為可變參數(shù)時,電壓噪音值為0.1NV/N2OHz為微不足道。步進帕拉姆函數(shù),可以很容易地看到不同電流噪聲的結(jié)果。在這種情況下,參數(shù)因清單的不同而不同:0.1帕/N2OHz、1帕/N2O赫、2帕/N2O赫、5帕/N2O赫和10帕/N2O赫。
請記住,這項技術(shù)是一個一階近似的操作放大器的噪音特性。在通用模型中不包括頻率隨頻率上升的噪聲等行為,一旦實際設(shè)備模擬或測試完畢,必須單獨計算。
值得注意的是,在許多應用中,例如在噪聲性能通常非常重要的轉(zhuǎn)換放大器中,放大器噪聲與外部組件(例如,來自光電二極管或雪崩光電二極管的輸入電容)之間存在著強有力的相互作用,因此,任何這種評估只有在這些外部組件包括在內(nèi)并得到核算的情況下才是準確的。否則,模擬的性能將遠遠遠離測量結(jié)果!
然后可以將下表1的模擬結(jié)果匯總起來,并與最主要的熱噪聲(100NV/N2OHz的R3)作為放大器的附加噪聲進行比較。以下是0.1帕/DB2Hz(案例1)的附加噪音計算樣本,供參考:
圖2通用放大器版本。
圖3具有步進式噪聲電流的萬用光放大器(繪制前三個值)。
表1噪音電流變化摘要
| 編號 | 投入電流(pa/N2OHz) | Output Noise (nV/√Hz) | 噪音 |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.1 | 117 | 1.4 |
| 2 | 1 | 140 | 2.9 |
| 3 | 2 | 192 | 5.7 |
| 4 | 5 | 398 | 12.0 |
| 5 | 10 | 771 | 17.7 |
類似的模擬可以在電壓噪聲(而設(shè)置電流噪聲低至無關(guān)緊要)變化和類似的表格中進行,如表2所示:
表2噪音電壓變動摘要
| 編號 | Input Voltage (nV/√Hz) | Output Noise (nV/√Hz) | 噪音 |
|---|---|---|---|
| 5 | 1 | 117 | 1.4 |
| 6 | 2 | 119 | 1.5 |
| 7 | 5 | 130 | 2.3 |
| 8 | 7 | 141 | 3 |
| 9 | 10 | 162 | 4.2 |
查看表1和表2,可以得出結(jié)論,例如,將增加的噪音保持在小于或等于3分貝的水平,需要輸入電流噪聲為&l;1帕/2z/Hz,輸入電壓噪聲為&l;7NV/2127。像這樣的裝置?AD8055 使用1帕/1nv/DB2Hz和6NV/2nv/2nHz噪音符合賬單要求,模擬時,其寬帶噪音為144NV/N2OHz,接近表1和表2的預測噪音。
總結(jié)
模擬放大器是一種內(nèi)置于LTPASY中的工具/功能。該工具允許電路設(shè)計者改變用于應用的未來有源放大器的電壓和電流噪聲來預測所產(chǎn)生的附加噪聲。有了這些信息,與設(shè)計中的其他主要噪聲源相比,可以選擇最合適的放大器,以最大的功率消耗和成本達到預定的噪聲要求。
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