采用Pspice分析系統(tǒng)評(píng)估噪聲

　　對(duì)于電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單或大部分噪聲都集中在平坦頻帶之內(nèi)的放大器來說，要評(píng)估其輸出噪聲可說較為容易，但如果來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(nèi)，在這兩種應(yīng)用情況下，要評(píng)估放大器的輸出噪聲將變得相當(dāng)復(fù)雜。

　　以上述應(yīng)用情況來說，Pspice 是一套可以用來計(jì)算輸出噪聲的好工具，而且即使測(cè)試的“先決條件”有變，也可簡(jiǎn)化噪聲的評(píng)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(píng)估工作，并以實(shí)例顯示如采用其他技術(shù)，評(píng)估工作會(huì)變得更為困難。

　　采用 Pspice 分析系統(tǒng)評(píng)估噪聲：

　　對(duì)于電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的放大器來說，我們可以采用 Pspice 等不同的噪聲評(píng)估技術(shù)，以評(píng)估輸出噪聲。Pspice 系統(tǒng)內(nèi)置指令來計(jì)算輸出噪聲密度及噪聲數(shù)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支持Pspice 系統(tǒng)。一般稱為“低噪聲”的芯片通常都有較為準(zhǔn)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(zhǔn)確，但有些可能沒有1/f噪聲模型。理想的情況是采用特別技術(shù)，讓 Pspice 系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，來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(zhǔn)確性方面無法符合嚴(yán)格的要求，也可容許 Pspice 系統(tǒng)進(jìn)行這樣的分析。下文將會(huì)介紹這種技術(shù)它允許用戶快速分析“先決條件”有變的應(yīng)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(shè)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(dǎo)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(fù)雜，以致無法采用簡(jiǎn)單的分析方法：

　　(a) 需要考慮1/f區(qū)域噪聲。1/f區(qū)的噪聲密度會(huì)因頻率的不同而改變，因此設(shè)計(jì)工程師計(jì)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(yán)格的計(jì)算來確定這些帶寬。

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

　　(d) 利用傳送函數(shù)計(jì)算每一噪聲源至輸出的噪聲并不簡(jiǎn)單，而且計(jì)算結(jié)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)的宏觀測(cè)試模型一并裝入Pspice系統(tǒng)中。LMV772的模型可以準(zhǔn)確顯示芯片在平坦頻帶及1/f頻區(qū)內(nèi)的輸入?yún)⒖荚肼曤妷?。采?Pspice的好處是“輸出電壓”(Vout)引腳可以指定為輸出節(jié)點(diǎn)，而且 Pspice 系統(tǒng)可以自動(dòng)產(chǎn)生該節(jié)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(jì)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) 開方值在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的積分的平方根。Pspice Probe 程序提供的以下算式顯示這個(gè)計(jì)算結(jié)果 (以伏特為計(jì)算單位)：

　　“SQRT(s(V(onoise)^2))”

　　上述算式當(dāng)中的 "s" 是指取隨后變項(xiàng)的積分值，以本例來說，隨后變項(xiàng)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(shù) (^2) 進(jìn)行運(yùn)算。但我們可以通過變項(xiàng)自乘來輕易計(jì)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(cè)試結(jié)果。

　　我們只要將屏幕上的 Probe光標(biāo)置于相關(guān)之間，便可讀取 Pspice Probe 提供的數(shù)值。例如，如光標(biāo)置于 1Hz 與 1MHz 之間 (或 1MHz 以上)，屏幕上的讀數(shù)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題