利用Ltspice进行噪声模拟仿真，帮助我们选择合适的放大器应用

本文探讨了噪声敏感应用中可用于识别和优化器件/组件选择的仿真方法之一。我们将首先指出Ltspice的一个特点模拟,允许这一标准组件,然后引入一个方法,允许这一功能的操作放大器(OPamps)使用在信号路径。由于低噪音通常与更高的耗电量和更高的成本有关,这个工具可以让你选择最低功率和最具成本效益的解决方案,以满足设计的要求。

设计一个涉及传感器(小信号)、放大器、滤波器和数据采集(ADC)的信号路径的挑战之一是确定信号在数字化或以其他方式处理之前所经过的各个组件和块的噪声贡献。如果设计正确,大部分增益在前端,任务就更简单了,因为选择最低噪声前端可以确保最高信噪比,并最大限度地减小其他电路的影响。

但是,如果不能作出这种明确的区分,和/或申请必须在噪音必须充分优化的地方达到最低水平的噪音和信号完整性,该怎么办?

标准组件的噪音分析

工程师们已经有效地使用了Ltspice进行了噪声影响研究和优化,因为LTPSY允许你点击某一特定设备(即电阻器和晶体管)在模拟中,并立即将其输出噪声贡献作为噪声分析中的噪声密度图。

图1展示了一个例子模拟,其中输出噪声和其他电阻噪声的贡献是并排绘制的,以容易看到每个相对于净输出噪声的相对重要性。此外,可以将这些噪音密度图中的任何一块整合起来,以看到它在整个频率范围内的影响,R3是100NV/N2OHz平面带中的最高电阻贡献者。

Ltspice是一个非常强大的模拟工具,包括电阻和晶体管,在建模和跟踪他们的噪音贡献。然而,您可能需要一个替代解决方案来考虑其他组件/构件。对于那些设备,例如带有加密宏观模型的OP安培,可能会分散在整个电路和模拟文件中。

图1模拟输出噪声和每个电阻的噪声贡献。

为了充分说明这里指的是什么,以及如何对操作放大器进行噪声分析,有必要首先介绍一个人如何在LTPASY中添加一个理想化的操作放大器。图2显示了构建在Ltspice教育库中的"普遍性"文件。它展示了一个简化的OPAMP模型,五个层次的复杂度不断增加,包含了最简单到最复杂的版本,所有输出同时绘制。这是一个有用的宏观模型,可以复制到任何设计中,并且可以很容易地操作/编辑,以找到每个参数的影响。

将分析扩展到amplifier

当涉及到确定设备的预期噪声影响时,模拟放大器可以是一个强大的模拟工具。通过使用这个LtspiceIN组件,你可以很容易地改变它的电压噪音,电流噪音,和每个噪音源的相应角频率,以查看结果输出/输入噪音。有了这些信息,你就可以明智地为这项工作挑选合适的设备,知道设计的准确的噪声公差。

图3展示了这种方法,图1的电路被修改为采用模拟放大器。当噪音电流在设置为可变参数时,电压噪音值为0.1NV/N2OHz为微不足道。步进帕拉姆函数,可以很容易地看到不同电流噪声的结果。在这种情况下,参数因清单的不同而不同:0.1帕/N2OHz、1帕/N2O赫、2帕/N2O赫、5帕/N2O赫和10帕/N2O赫。

请记住,这项技术是一个一阶近似的操作放大器的噪音特性。在通用模型中不包括频率随频率上升的噪声等行为,一旦实际设备模拟或测试完毕,必须单独计算。

值得注意的是,在许多应用中,例如在噪声性能通常非常重要的转换放大器中,放大器噪声与外部组件(例如,来自光电二极管或雪崩光电二极管的输入电容)之间存在着强有力的相互作用,因此,任何这种评估只有在这些外部组件包括在内并得到核算的情况下才是准确的。否则,模拟的性能将远远远离测量结果!

然后可以将下表1的模拟结果汇总起来,并与最主要的热噪声(100NV/N2OHz的R3)作为放大器的附加噪声进行比较。以下是0.1帕/DB2Hz(案例1)的附加噪音计算样本,供参考:

图2通用放大器版本。

图3具有步进式噪声电流的万用光放大器(绘制前三个值)。

表1噪音电流变化摘要

类似的模拟可以在电压噪声(而设置电流噪声低至无关紧要)变化和类似的表格中进行,如表2所示:

表2噪音电压变动摘要

查看表1和表2,可以得出结论,例如,将增加的噪音保持在小于或等于3分贝的水平,需要输入电流噪声为&l;1帕/2z/Hz,输入电压噪声为&l;7NV/2127。像这样的装置 AD8055 使用1帕/1nv/DB2Hz和6NV/2nv/2nHz噪音符合账单要求,模拟时,其宽带噪音为144NV/N2OHz,接近表1和表2的预测噪音。

总结

模拟放大器是一种内置于LTPASY中的工具/功能。该工具允许电路设计者改变用于应用的未来有源放大器的电压和电流噪声来预测所产生的附加噪声。有了这些信息,与设计中的其他主要噪声源相比,可以选择最合适的放大器,以最大的功率消耗和成本达到预定的噪声要求。