摘要

　　本文探討了一種可用于識(shí)別和優(yōu)化噪聲敏感應(yīng)用中器件/元件選擇的仿真方法。我們將首先指出LTspice 仿真的一個(gè)特性，該特性允許對(duì)標(biāo)準(zhǔn)組件進(jìn)行此操作，然后介紹一種方法，該方法允許在信號(hào)路徑中使用的運(yùn)算放大器(運(yùn)放)具有相同的功能。由于低噪聲通常與高功耗和高成本相關(guān)，因此該工具允許用戶選擇滿足設(shè)計(jì)要求的最低功耗和最具成本效益的解決方案。

　　設(shè)計(jì)包含傳感器(小信號(hào))、放大器、濾波和數(shù)據(jù)采集(ADC)的信號(hào)路徑的挑戰(zhàn)之一是確定信號(hào)在數(shù)字化或以其他方式處理之前所經(jīng)過的各種組件和塊的噪聲貢獻(xiàn)。如果設(shè)計(jì)正確，并且大部分增益都在前端獲得，則任務(wù)會(huì)更簡(jiǎn)單，因?yàn)檫x擇最低噪聲的前端可確保最高的信噪比，并將其余電路的影響降至最低。

　　但是，如果不能做出如此明確的區(qū)分，或者應(yīng)用程序需要最低水平的噪聲和信號(hào)完整性，而噪聲必須完全優(yōu)化，該怎么辦?

　　標(biāo)準(zhǔn)元件噪聲分析

　　工程師們已經(jīng)有效地使用LTspice進(jìn)行噪聲影響研究和優(yōu)化，因?yàn)長(zhǎng)Tspice允許您在模擬中單擊特定器件(即電阻和晶體管)，并立即在噪聲分析中以噪聲密度圖的形式查看其輸出噪聲貢獻(xiàn)。

　　圖1顯示了一個(gè)模擬示例，其中輸出噪聲和其他電阻噪聲貢獻(xiàn)并排繪制，以便輕松地看到與凈輸出噪聲相比，每種噪聲的相對(duì)重要性。此外，可以整合任何這些噪聲密度圖，以查看其在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的影響，如圖所示，R3在100 nV/√Hz平坦帶時(shí)電阻貢獻(xiàn)最大。

　　LTspice是一個(gè)非常強(qiáng)大的仿真工具，涵蓋電阻器和晶體管，以及建模和跟蹤它們的噪聲貢獻(xiàn)。但是，您可能需要考慮其他組件/構(gòu)建塊的替代解決方案。對(duì)于運(yùn)算放大器等帶有加密宏模型的設(shè)備來(lái)說(shuō)，情況就是這樣，這些宏模型可能分散在整個(gè)電路和仿真文件中。

　　圖1 通用運(yùn)放版本。

　　為了充分說(shuō)明這里的含義以及如何對(duì)運(yùn)放進(jìn)行噪聲分析，有必要首先介紹如何在LTspice中添加理想運(yùn)放。圖2顯示了UniversalOpAmp。asc文件內(nèi)置于LTspice教育庫(kù)。它顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的運(yùn)放模型，具有五個(gè)級(jí)別的復(fù)雜性，包括最簡(jiǎn)單到最復(fù)雜的版本，所有輸出同時(shí)繪制。這是一個(gè)有用的宏模型，可以復(fù)制到任何設(shè)計(jì)中，并且可以很容易地操縱/編輯以找到每個(gè)參數(shù)的影響。

　　將分析擴(kuò)展到運(yùn)算放大器

　　當(dāng)涉及到確定設(shè)備的預(yù)期噪聲影響時(shí)，UniversalOpAmp可以成為模擬中的強(qiáng)大工具。通過使用LTspice元件，可以很容易地改變其電壓噪聲、電流噪聲和每個(gè)噪聲源的角頻率，以查看所產(chǎn)生的輸出/輸入噪聲。有了這些信息，人們就可以通過了解設(shè)計(jì)的確切噪聲容限來(lái)智能地為工作選擇正確的設(shè)備。

　　圖3顯示了這種方法，其中圖1的電路被修改為使用UniversalOpAmp。將噪聲電流In設(shè)為可變參數(shù)，將0.1 nV/√Hz的電壓噪聲項(xiàng)En值設(shè)為不顯著，則“步進(jìn)參數(shù)”功能，通過仿真可以很容易地看到電流噪聲變化的結(jié)果。在本例中，參數(shù)取值為0.1 pA/√Hz、1pa /√Hz、2pa /√Hz、5pa /√Hz、10pa /√Hz。

　　請(qǐng)記住，這種技術(shù)是運(yùn)算放大器噪聲特性的一階近似。通常在FET輸入運(yùn)算放大器中發(fā)現(xiàn)的隨頻率上升的噪聲等行為不包括在通用模型中，一旦對(duì)實(shí)際器件進(jìn)行模擬或臺(tái)架測(cè)試，必須單獨(dú)考慮。有關(guān)FET噪聲電流行為的更多信息，請(qǐng)參閱“FET輸入放大器中的電流噪聲”。

　　值得注意的是，在許多應(yīng)用中，例如通阻放大器(tia)，其噪聲性能通常非常重要，放大器噪聲與外部元件(例如，光電二極管或雪崩光電二極管(APD)的輸入電容)之間存在很強(qiáng)的相互作用，因此只有包括并考慮這些外部元件，任何此類評(píng)估才準(zhǔn)確。否則，模擬的性能將與實(shí)測(cè)結(jié)果相去甚遠(yuǎn)!

　　然后可以將下表1的模擬結(jié)果匯總在一起，并將每種情況與放大器添加的最主要熱噪聲(R3在100 nV/√Hz)進(jìn)行比較。下面是0.1 pA/√Hz(案例1)的樣本加噪計(jì)算，供參考:　

　　圖2 通用運(yùn)放版本。

　　圖3 具有階躍噪聲電流的通用opamp(繪制了前三個(gè)值)。表1 噪聲電流變化摘要箱號(hào)輸入電流(pA/√Hz)輸出噪聲(nV/√Hz)附加噪音(分貝)

　　類似的模擬可以在電壓噪聲(同時(shí)將電流噪聲設(shè)置為低至不顯著)變化的情況下進(jìn)行，并類似地制成表格，如表2所示:

　　表2 噪聲電壓變化匯總箱號(hào)輸入電壓(nV/√Hz)輸出噪聲(nV/√Hz)附加噪音(分貝)

　　查看表1和表2，可以得出結(jié)論，例如，要使附加噪聲小于或等于3 dB，則需要輸入電流噪聲為1 pA/√Hz，輸入電壓噪聲為1 pA/√Hz。7 nV /√赫茲。像AD8055這樣具有1 pA/√Hz和6 nV/√Hz噪聲的器件符合要求，并且在模擬時(shí)，其寬帶噪聲為144 nV/√Hz，接近表1和表2的預(yù)測(cè)噪聲。

　　總結(jié)

　　探索了LTspice內(nèi)置的工具/功能UniversalOpAmp。該工具允許電路設(shè)計(jì)人員改變應(yīng)用中使用的預(yù)期有源放大器的電壓和電流噪聲，以預(yù)測(cè)由此產(chǎn)生的附加噪聲。有了這些信息，當(dāng)與設(shè)計(jì)中的其他主要噪聲源進(jìn)行比較時(shí)，就可以選擇最合適的放大器，以最佳功耗和成本達(dá)到預(yù)期的噪聲要求。