摘要

　　本文探討了一種可用于識別和優化噪聲敏感應用中器件/元件選擇的仿真方法。我們將首先指出LTspice 仿真的一個特性，該特性允許對標準組件進行此操作，然后介紹一種方法，該方法允許在信號路徑中使用的運算放大器(運放)具有相同的功能。由于低噪聲通常與高功耗和高成本相關，因此該工具允許用戶選擇滿足設計要求的最低功耗和最具成本效益的解決方案。

　　設計包含傳感器(小信號)、放大器、濾波和數據采集(ADC)的信號路徑的挑戰之一是確定信號在數字化或以其他方式處理之前所經過的各種組件和塊的噪聲貢獻。如果設計正確，并且大部分增益都在前端獲得，則任務會更簡單，因為選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分，或者應用程序需要最低水平的噪聲和信號完整性，而噪聲必須完全優化，該怎么辦?

　　標準元件噪聲分析

　　工程師們已經有效地使用LTspice進行噪聲影響研究和優化，因為LTspice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。

　　圖1顯示了一個模擬示例，其中輸出噪聲和其他電阻噪聲貢獻并排繪制，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，以查看其在整個頻率范圍內的影響，如圖所示，R3在100 nV/√Hz平坦帶時電阻貢獻最大。

　　LTspice是一個非常強大的仿真工具，涵蓋電阻器和晶體管，以及建模和跟蹤它們的噪聲貢獻。但是，您可能需要考慮其他組件/構建塊的替代解決方案。對于運算放大器等帶有加密宏模型的設備來說，情況就是這樣，這些宏模型可能分散在整個電路和仿真文件中。

　　圖1 通用運放版本。

　　為了充分說明這里的含義以及如何對運放進行噪聲分析，有必要首先介紹如何在LTspice中添加理想運放。圖2顯示了UniversalOpAmp。asc文件內置于LTspice教育庫。它顯示了一個簡化的運放模型，具有五個級別的復雜性，包括最簡單到最復雜的版本，所有輸出同時繪制。這是一個有用的宏模型，可以復制到任何設計中，并且可以很容易地操縱/編輯以找到每個參數的影響。

　　將分析擴展到運算放大器

　　當涉及到確定設備的預期噪聲影響時，UniversalOpAmp可以成為模擬中的強大工具。通過使用LTspice元件，可以很容易地改變其電壓噪聲、電流噪聲和每個噪聲源的角頻率，以查看所產生的輸出/輸入噪聲。有了這些信息，人們就可以通過了解設計的確切噪聲容限來智能地為工作選擇正確的設備。

　　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設為可變參數，將0.1 nV/√Hz的電壓噪聲項En值設為不顯著，則“步進參數”功能，通過仿真可以很容易地看到電流噪聲變化的結果。在本例中，參數取值為0.1 pA/√Hz、1pa /√Hz、2pa /√Hz、5pa /√Hz、10pa /√Hz。

　　請記住，這種技術是運算放大器噪聲特性的一階近似。通常在FET輸入運算放大器中發現的隨頻率上升的噪聲等行為不包括在通用模型中，一旦對實際器件進行模擬或臺架測試，必須單獨考慮。有關FET噪聲電流行為的更多信息，請參閱“FET輸入放大器中的電流噪聲”。

　　值得注意的是，在許多應用中，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，任何此類評估才準確。否則，模擬的性能將與實測結果相去甚遠!

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

　　圖2 通用運放版本。

　　圖3 具有階躍噪聲電流的通用opamp(繪制了前三個值)。表1 噪聲電流變化摘要箱號輸入電流(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(同時將電流噪聲設置為低至不顯著)變化的情況下進行，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，其寬帶噪聲為144 nV/√Hz，接近表1和表2的預測噪聲。

　　總結

　　探索了LTspice內置的工具/功能UniversalOpAmp。該工具允許電路設計人員改變應用中使用的預期有源放大器的電壓和電流噪聲，以預測由此產生的附加噪聲。有了這些信息，當與設計中的其他主要噪聲源進行比較時，就可以選擇最合適的放大器，以最佳功耗和成本達到預期的噪聲要求。