电路噪声分析以及优化 (上)
本文作者:admin
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2009-10-11 00:00
前言:
“噪声”这个名词代表的是一定范围的电气扰动。部份的这些扰动来源乃是模拟式电路零件与生俱来的,像是放大器以及转换器等。为了要了解一组电路所能够可靠处理的最低信号位准,设计工程师必须要计算电路的噪声。
这可能会相当复杂,因为会牵涉到许多公式的衍生与解答。在写公式之前,应当要先确认与说明不相关以及相关的噪声来源。本文将会检验相关与不相关噪声同时存在的特殊清况,并且提供针对电路优化的建议。设计工程师能够藉由这种方法建立出以优化噪声性能有效运作的电路。
开始分析
为了要获得最佳的噪声性能,我们必须要限制带宽,并且计算噪声有效带宽(NEB)中的噪声。有一种限制带宽的架构是在信号调节级之中或是之后采用简单的低通滤波器。
无论滤波器位于系统的何阶,噪声带宽会比信号带宽更广。信号在处于其-3 dB频率(f0)时为其原始值的0.707倍,但是对于第一阶滤波器的噪声频率则会延伸至1.57 f0。这意味着白噪声(white noise)在通过时,滤波器会像是一道具有1.57倍截止频率的砖墙一样。表1中所列为高阶(N)低通滤波器的乘法系数。
设计工程师可以利用公式1计算出任意电路(像是图1中所示的带通滤波器)的噪声对等带宽,该公式将信号增益随频率的量予以积分,并且除以最大化的信号增益。
有一个比较简单的方法可以算出电路噪声,那就是使用像是PSpice之类的仿真软件。这个带通滤波器具有(1/2π×R3×C1 )以及(1/2π×R1×C21)的截止频率。拥有一个能够将电压以及电流密度建立模型的精确运算放大器模型是很重要的。噪声运算的处理过程跟手动计算的方式是一样的,但是软件可以对数据进行最详尽的处理。
想要找出NEB,从”analysis setup ”弹出式选单当中选择” AC sweep ”,然后点击” noise enabled ”按钮。第一步就是找出最大化增益,如图2中所示。
其次,总和运算符可以用来找出NEB,如图3所示。NEB就是图形曲线当中较高的平坦部份,在此范例中大约是170 kHz。
PSpice同时也会计算设计工程师需要研究的其它信息。举例来说,该软件已经针对图1中所示之电路,将用以显示输入以及输出噪声图形曲线的必要数据搜集妥当。这可以藉由在设定选单中选择” enable noise “来加以完成。图4中所示为输出噪声的结果。
了解噪声的带宽使设计工程师可以藉由光标值以及s 运算符的使用找出在此带宽上的噪声,如图5中所示。将一个箭头指针设定在低频率(例如1 Hz)。按鼠标右键并且将第二个箭头指针设定在170 kHz电路噪声带宽。在此带宽上的噪声可以从光标值显示窗中的” dif ”读出。
以上的方法乃是假设所有的电路噪声来源都经过正确的辨认,而且也都针对优化的噪声性能予以设定组态。PSpice并不晓得正确的组态设定以及零件值,而这些设定必须由电路设计工程师予以优化。上述的电路是针对噪声优化的吗?所有的噪声来源都经过确认以及说明了吗?
(本文上篇结束,下篇将会以一个实际的电路范例进行探讨与计算)