采用Pspice分析系统评估噪声.docx

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采用Pspice分析系统评估噪声

采用Pspice分析系统评估噪声

对于电路设计较为简单或大部分噪声都集中在平坦频带之内的放大器来说，要评估其输出噪声可说较为容易，但如果来源各异的噪声如热噪声及1/f噪声各有不同的带宽，又或者噪声并不集中在放大器的平坦频带范围内，在这两种应用情况下，要评估放大器的输出噪声将变得相当复杂。

　　以上述应用情况来说，Pspice是一套可以用来计算输出噪声的好工具，而且即使测试的“先决条件”有变，也可简化噪声的评估工作。

本文主要介绍一些适用的Pspice技术，以及讨论如何利用这些技术简化评估工作，并以实例显示如采用其他技术，评估工作会变得更为困难。

　　采用Pspice分析系统评估噪声：

　　对于电路设计较为复杂的放大器来说，我们可以采用Pspice等不同的噪声评估技术，以评估输出噪声。

Pspice系统内置指令来计算输出噪声密度及噪声数值。

然而有源元件或放大器等电路未必有完整或精确的噪声模型来支持Pspice系统。

一般称为“低噪声”的芯片通常都有较为准确的噪声宏模型，但也不尽然。

此外，虽然有关芯片的平坦频带噪声模型可能较为准确，但有些可能没有1/f噪声模型。

理想的情况是采用特别技术，让Pspice系统可以进行数值计算，来初步确定噪声带宽和噪声总量以便确定放大器噪声带宽及估算噪声总量，而且即使放大器噪声模型本身可能在准确性方面无法符合严格的要求，也可容许Pspice系统进行这样的分析。

下文将会介绍这种技术它允许用户快速分析“先决条件”有变的应用情况，例如用不同噪声的放大器进行分析。

　　图1所示为假设的电路，但极具实用价值。

　　在图1的电路之中，美国国家半导体的LMV772芯片将光电二极管的微量输出电流加以放大，以便作进一步处理。

以下的因素会令这款电路变得较为复杂，以致无法采用简单的分析方法：

　　（a）需要考虑1/f区域噪声。

1/f区的噪声密度会因频率的不同而改变，因此设计工程师计算噪声时必须采用有限积分（finiteintegration）的方法。

　　（b）不同噪声源带宽也各异，因此需要进行严格的计算来确定这些带宽。

　　（c）选择运算放大器时，需要考虑成本及性能等因素。

若要确定运算放大器以外的其他输出噪声，必须重复多次计算。

　　（d）利用传送函数计算每一噪声源至输出的噪声并不简单，而且计算结果也会和频率相关。

　　直接的Pspice噪声仿真

　　图2的等效电路可与有源元件（亦即上述的LMV772）的宏观测试模型一并装入Pspice系统中。

LMV772的模型可以准确显示芯片在平坦频带及1/f频区内的输入参考噪声电压。

采用Pspice的好处是“输出电压”（Vout）引脚可以指定为输出节点，而且Pspice系统可以自动产生该节点（即Pspice所显示的V（onoise）电压）的噪声频谱密度[V/SQRT（Hz）]，因此计算均方根（RMS）噪声便变得较为简单。

　　均方根噪声是这个V（onoise）开方值在整个频率范围内的积分的平方根。

PspiceProbe程序提供的以下算式显示这个计算结果（以伏特为计算单位）：

　　“SQRT（s（V（onoise）^2））”

　　上述算式当中的"s"是指取随后变项的积分值，以本例来说，随后变项是指输出噪声密度的平方值。

　　有些Pspice程序不允许采用平方函数（^2）进行运算。

但我们可以通过变项自乘来轻易计算出其平方值：

　　“SQRT（s（V（onoise）*V（onoise）））”

　　图3是屏幕上所示图2电路的Probe测试结果。

　　我们只要将屏幕上的Probe光标置于相关之间，便可读取PspiceProbe提供的数值。

例如，如光标置于1Hz与1MHz之间（或1MHz以上），屏幕上的读数便会显示输出噪声为4.39mV_RMS（参看图3）。

　　如噪声的宏模型有问题，又或我们必须找出每一噪声在总噪声中所占的比例，我们便要研究有什么方法可以解决这些问题

间接的Pspice噪声仿真

　　即使有源元件没有准确的噪声模型，我们也可以利用Pspice系统简化预测噪声所涉及的繁复运算。

以上例而言，我们可以利用Pspice进行额外运算的仿真，以便计算输出噪声，因而称其为“间接仿真”。

这种方式无需进行噪声仿真，便可计算指定频率范围内每一噪声源至输出的增益。

PspiceProbe可以显示每一噪声源的增益频率响应，而我们可以将Pspice增益仿真结果输入数据表分别进行处理，以估算均方根噪声。

　　以下逐步说明如何进行间接Pspice噪声仿真噪声模拟测试所需的每一步骤，另外还列出图2所示电路的仿真测试结果。

　　步骤1：

对于每一个噪声源进行噪声预测时，先使用Pspice系统进行“交流电AC”对其频率扫描分析模拟分析仿真其输出电压，并将每一噪声源的频率扫描一遍，以便模拟其输出电压。

每一噪声源都需经过一次交流电的模拟分析。

电阻的热噪声可作为并联某一特定电阻的并联电流源的简单模型处理，（在Pspice里并联电流源比电压源更容易增减因为在Pspice系统内增减并联电源比增减串联电源较为容易）。

图4是测量射频热噪声的电路。

　　其他噪声源的测试结果并没有在下面一一列出，但若按照同样的方式计算，有关结果应大致相同。

以下是图2所示电路的其他噪声源：

　　U1输入噪声电压

　　U1反相输入噪声电流

　　U2输入噪声电压

　　U2反相输入噪声电流

　　R2热噪声

　　R3热噪声

　　RD热噪声

　　步骤2：

利用PspiceProbe函数曲线显示“输出电压除以输入电压”的结果，换言之，可以藉此计算每一噪声源的增益。

　　图5是图4所示电路的仿真结果，图中的PspiceProbe显示本示例几个指定节点名称的“Vout/I_RF_thermal”增益。

　　步骤3：

注意每一次仿真的最高增益及适用的-3dB带宽（或-3dB的滚降频率）。

我们可以用数据表整理并处理获得的相关结果。

　　注意图5的光标必须位于峰值响应的70.7%（-3dB），否则便无法读取较低及较高的-3dB频率（即以下图表1的“f1”及“f2”）。

与步骤1所列重要噪声源有关的所有资料都在表1内列出。

有关射频热噪声的数字均列于“噪声源”#5的一栏之内，高亮显示突出其重要性。

　　步骤4：

步骤3的增益如乘以噪声源振幅及噪声带宽的平方根，便可得出某一噪声源占总输出噪声的百分比。

只要将单极点响应的仿真结果乘以1.25因子[SQRT（pi/2）]，便可为非砖墙式的行为提供补偿。

如欲提高数字的准确性，可参考应用注释OA-12（1.25因子，如此可以简化解释过程

　　至于电阻热噪声的幅值，以下是室温下粗略的等效并联噪声电流：

　　i_R_thermal（4pA/RtHz/sqrt[R（Kohm）]

　　因此，以100KW的电阻为例，其噪声源应为0.4pA/RtHz。

　　表2是表1添加了G、H、I等栏之后的最新数据：

　　注意：

表2“U1噪声电压”一行所列数字（即G栏第一行的15nV/RtHz）是LMV772噪声电压在12Hz（f1）至78kHz（f2）范围内的“视觉平均数”（参看图6）。

用这样粗略的方法计算近似值基本上不会很准确，因此我们应注意上述分析只可得出粗略估计数值。

　　若个别的增益频率响应比图5所示实例的带通响应更为复杂，我们可以利用“肉眼”估算其平均值及实际的高、低频率，并将有关数值列于数据表内。

这种间接分析方式的主要优点是可以清楚显示个别噪声占总噪声量的百分比。

作为初步的分析来说，这种初步的粗略估算是可以接受的。

　　此外，RF_thermal高亮显示在表格2中（标记在噪声“source#5”列中）。

以下详细列出RF_thermal的计算方法以供参考：

　　G列：

　　噪声源振幅

　　I列：

　　步骤5：

利用算试表将来源不同的噪声的平方数值加起来，然后取其平方根，以便计算所有噪声源的总均方根噪声。

　　表3将最后计算出来的数据一一列出。

　　表3右下角列出的“4.99mV_RMS”是6个噪声源加在一起的总和，这是噪声总量的最后答案。

若与前文所说的直接Pspice噪声仿真（4.39mV_RMS）比较，两者相差约14%，对于粗略的间接分析方法来说，14%的偏差尚算合理，可以接受。

　　以下是这个最后答案的计算方法：

　　我们应注意一点，上述步骤只利用Pspice计算不同噪声贡献的增益，并没有利用较为准确的有源元件噪声宏模型。

但即使采用间接的Pspice方法，噪声数据的可靠性仍然非常重要。

此外，数据算试表一旦编列完成，哪一个才是最大的噪声来源以至这一噪声占总噪声量的百分比等资料便一目了然。

直接模拟的方法便完全不同，直接模拟的测试结果不会显示哪一噪声源占主导地位。

以图6为例来说，表内清楚显示RF_thermal是最大的噪声源。

　　这个间接的Pspice方法还有另一优点，那就是算试表编列完成之后，即使测试的先决条件有变，也很容易预测全新情况下的噪声量。

以LMV771为例来说，这款芯片的输入噪声电流极低（0.001pA/RtHz），我们即使以输入噪声电流为0.3pA/RtHz的LMV721双极型输入芯片代替LMV771，也可利用算试表即时预测新的输出噪声：

　　若以LMV721取代LMV772，输出噪声之中的“U1噪声电流”部分（即表3的I栏第二列）的数值可利用以下等式计算出来：

　　新的输出噪声总量：

　　换言之，输出噪声可能会增加至12.4mV_RMS，而U1输入噪声电流会取代RF_thermal而成为最大的噪声来源。

　　结语

　　本文主要讨论了一些利用Pspice的优点进行仿真的方法，确保我们即使没有准确或完整的噪声宏模型，仍可仿真噪声来源及其分布。

上文分别介绍直接及间接的Pspice噪声仿真方法，扩充了用户的可供选择的分析工具库，来解决噪声评估的问题。

上文还详细介绍间接的仿真方法，以加深用户对这个方法的了解，让用户可以利用这种有用的工具，找出系统的最大噪声来源，然后将之隔离处理，确保用户可以利用简便而具成本效益的分析方法，作出更精明的决定。

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