采用Pspice分析系統評估噪聲

　　對于電路設計較為簡(jiǎn)單或大部分噪聲都集中在平坦頻帶之內的放大器來(lái)說(shuō)，要評估其輸出噪聲可說(shuō)較為容易，但如果來(lái)源各異的噪聲如熱噪聲及1/f噪聲各有不同的帶寬，又或者噪聲并不集中在放大器的平坦頻帶范圍內，在這兩種應用情況下，要評估放大器的輸出噪聲將變得相當復雜。

　　以上述應用情況來(lái)說(shuō)，Pspice 是一套可以用來(lái)計算輸出噪聲的好工具，而且即使測試的“先決條件”有變，也可簡(jiǎn)化噪聲的評估工作。本文主要介紹一些適用的 Pspice 技術(shù)，以及討論如何利用這些技術(shù)簡(jiǎn)化評估工作，并以實(shí)例顯示如采用其他技術(shù)，評估工作會(huì )變得更為困難。

　　采用 Pspice 分析系統評估噪聲：

　　對于電路設計較為復雜的放大器來(lái)說(shuō)，我們可以采用 Pspice 等不同的噪聲評估技術(shù)，以評估輸出噪聲。Pspice 系統內置指令來(lái)計算輸出噪聲密度及噪聲數值。然而有源元件或放大器等電路未必有完整或精確的噪聲模型來(lái)支持Pspice 系統。一般稱(chēng)為“低噪聲”的芯片通常都有較為準確的噪聲宏模型，但也不盡然。此外，雖然有關(guān)芯片的平坦頻帶噪聲模型可能較為準確，但有些可能沒(méi)有1/f噪聲模型。理想的情況是采用特別技術(shù)，讓 Pspice 系統可以進(jìn)行數值計算，來(lái)初步確定噪聲帶寬和噪聲總量以便確定放大器噪聲帶寬及估算噪聲總量，而且即使放大器噪聲模型本身可能在準確性方面無(wú)法符合嚴格的要求，也可容許 Pspice 系統進(jìn)行這樣的分析。下文將會(huì )介紹這種技術(shù)它允許用戶(hù)快速分析“先決條件”有變的應用情況，例如用不同噪聲的放大器進(jìn)行分析。

　　圖 1 所示為假設的電路，但極具實(shí)用價(jià)值。

　　在圖 1 的電路之中，美國國家半導體的 LMV772 芯片將光電二極管的微量輸出電流加以放大，以便作進(jìn)一步處理。以下的因素會(huì )令這款電路變得較為復雜，以致無(wú)法采用簡(jiǎn)單的分析方法：

　　(a) 需要考慮1/f區域噪聲。1/f區的噪聲密度會(huì )因頻率的不同而改變，因此設計工程師計算噪聲時(shí)必須采用有限積分 (finite integration) 的方法。

　　(b) 不同噪聲源帶寬也各異，因此需要進(jìn)行嚴格的計算來(lái)確定這些帶寬。

　　(c) 選擇運算放大器時(shí)，需要考慮成本及性能等因素。若要確定運算放大器以外的其他輸出噪聲，必須重復多次計算。

　　(d) 利用傳送函數計算每一噪聲源至輸出的噪聲并不簡(jiǎn)單，而且計算結果也會(huì )和頻率相關(guān)。

　　直接的 Pspice 噪聲仿真

　　圖 2 的等效電路可與有源元件(亦即上述的LMV772)的宏觀(guān)測試模型一并裝入Pspice系統中。LMV772的模型可以準確顯示芯片在平坦頻帶及1/f頻區內的輸入參考噪聲電壓。采用 Pspice的好處是“輸出電壓”(Vout)引腳可以指定為輸出節點(diǎn)，而且 Pspice 系統可以自動(dòng)產(chǎn)生該節點(diǎn)(即Pspice所顯示的V(onoise)電壓)的噪聲頻譜密度[V/SQRT(Hz)]，因此計算均方根 (RMS) 噪聲便變得較為簡(jiǎn)單。

　　均方根噪聲是這個(gè) V(onoise) 開(kāi)方值在整個(gè)頻率范圍內的積分的平方根。Pspice Probe 程序提供的以下算式顯示這個(gè)計算結果 (以伏特為計算單位)：

　　“SQRT(s(V(onoise)^2))”

　　上述算式當中的 "s" 是指取隨后變項的積分值，以本例來(lái)說(shuō)，隨后變項是指輸出噪聲密度的平方值。

　　有些Pspice程序不允許采用平方函數 (^2) 進(jìn)行運算。但我們可以通過(guò)變項自乘來(lái)輕易計算出其平方值：

　　“SQRT(s(V(onoise)*V(onoise)))”
　　
　　圖3是屏幕上所示圖 2 電路的 Probe 測試結果。

　　我們只要將屏幕上的 Probe光標置于相關(guān)之間，便可讀取 Pspice Probe 提供的數值。例如，如光標置于 1Hz 與 1MHz 之間 (或 1MHz 以上)，屏幕上的讀數便會(huì )顯示輸出噪聲為 4.39mV_RMS (參看圖3)。

　　如噪聲的宏模型有問(wèn)題，又或我們必須找出每一噪聲在總噪聲中所占的比例，我們便要研究有什么方法可以解決這些問(wèn)題