8.5 TI 高精度实验室 - 噪声 5

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本节视频将讨论运放本征噪声的第五部分

在上一节视频中

我们学习了

一些简化噪声计算的工程经验规则

在本节视频中

我们将介绍

如何采用 TINA-TI 进行噪声的仿真

TINA-TI 是一个免费的

基于 SPICE 模型的软件

在第三个视频中

我们计算过这里所出现的

OPA627 电路的输出噪声

在这里我们将学习

用仿真的方式来解答同样的问题

采用仿真的方式

来解答噪声问题比手工计算要简单得多

自然而然地许多工程师

就直接跳过了手工计算步骤

而直接依靠仿真手段

千万不要掉入这样的陷阱

手工计算对于发现主要噪声是非常有帮助的

这点可以极大地帮助我们降低总噪声

此外仿真同时也可能产生不正确的结果

而另一方面

如果手工计算和仿真结果一致

这将让您更加确信您的结果是正确的

在开始噪声仿真前

您需要确认下电路连接是否正确

这点非常重要

因为对于一些电路连接错误

SPICE 模型不一定会提示错误或者警告

错误的电路连接

常常只会造成不正确的噪声仿真结果

这样您就会被假象欺骗

以为您的系统噪声性能真的很好

最简单的验证电路连接是否正确的方法

就是运行 AC 传递特性仿真

参考之前关于带宽的视频

您可以知道如何进行 AC 传递特性仿真

简单地手工计算一下增益和带宽

就可以确认您的仿真电路

是否如预期的那样工作

另外一点非常重要的

是您需要在仿真前检查下

采用的 SPICE 模型是否具有噪声特性

双击 TINA-TI 里的模型

然后选择 Enter Macro

就会打开一个网表

网表的上面部分

是关于模型包括的功能的描述

需要确认有没有

input voltage noise vs. frequency

和 input current noise vs frequency

这两个关键项

其他的 SPICE 软件

应该也会有类似的网表查看器

在下一个视频中

我们将介绍一个更加全面的方法

来确认噪声模型的准确度

很重要的是您应该知道

并非所有 SPICE 都会有噪声模型功能

实际上其他参数模型也是一样

因此我们常常需要了解下

采用的模型支持什么功能

对比一下仿真和手工计算的结果

在 TINA 里要运行噪声分析仿真

可以选择菜单 Analysis

然后点击 Noise Analysis

此时会出现 Noise Analysis 窗口

输入起始和截止频率

在这个示例中我们仿真的

是在噪声第三部分手工计算过的电路

其带宽是 158kHz

一般来说

截止频率最好选择为电路带宽的 10 倍

或者 20 倍以上

这样我们就可以积分

整个低通滤波器响应区域内的噪声了

而起始频率一般

都选择 0.1Hz 或者 100mHz

这样闪烁噪声就包括进来了

默认的样点数为 100

这对大多数计算都已足够

但是也可以增加更多的样点数

来获得更好的精确度

然后选择显示 output noise

和 total noise 图形

Output noise 输出噪声

是仿真仪表或者测试点的噪声频谱密度

如果仿真电路中有多个仪表

那么每个都会出现一条曲线

Total noise 总噪声

是根据之前介绍过的方法

积分得到的 RMS 噪声

下面我们来看看整个示例的仿真结果

这里我们看到了仿真的结果

左图是噪声频谱密度

也就是 TINA-TI 仿真出来的输出噪声曲线

我们可以清晰地看到闪烁噪声

宽带噪声和低通滤波器区域

因为我们没有设置任何滤波器电路

这里的滤波衰减区域

主要是由于运放的固有带宽限制引起的

右图显示的是积分后的 RMS 噪声

也就是 TINA-TI 仿真出来的总噪声

它同样是根据之前介绍过的

手工计算的公式得到的

就是将电压噪声频谱密度平方后

再在整个频段内积分

最后对其开平方根

我们就得到了这个结果

这个总噪声图形

显示了一直积到 Brick wall filter

矩形滤波器的某个给定频率的积分

比如从图中可以看出

0.1Hz 到 100KHz 范围的噪声积分

是 152uVrms

从本质上说

我们从总噪声图形

可以获得非常重要的信息

那就是总噪声是整个电路带宽内的噪声

这里可以看到整个带宽内的噪声是

303uVrms

我们注意到积分噪声

最后收敛到一个最终的值

这表明运放的低通特性

限制了总噪声值

一般来说 您将会观察到

像示例这样的积分曲线收敛结果

如果还没看到收敛至一个值

意味着您的仿真还需要增加截止频率值

现在我们来比较下仿真结果

和视频 3 的手工计算结果怎么样

总噪声手工计算结果是 324uVrms

而仿真结果为 303uVrms

两个结果非常的一致

一般来说计算和仿真都会很一致

但是也可能因为模型的间接效果

导致一些差异

如果计算结果和模型差异超过 20%

此时您应该再次检查下仿真模型

以及计算过程

从而找出其中差异的地方

现在我们已经学会了噪声仿真方法

接下来做几个练习

这个示例和刚仿真过的一样

唯一区别是增加一个反馈电容 Cf

大小为 1nF

在高频下这个增加的滤波器

会降低 Rf 和 Cf 并联的等效阻抗

由于闭环增益

是等于反馈回路阻抗除以 R1再加 1

这样闭环增益就随着频率增加而降低

到达某个频点后

电容效果相当于短路

此时闭环增益降低到 1V/V 或者 0dB

此时增益会一直维持 0dB

直到运放本身带宽极限

导致增益进一步降低

左下方的图形说明了有滤波器

和无滤波器的效果区别

可以看到当滤波电容在短路状态时

衰减度在 40dB 左右

右上图提供了输出噪声

或者噪声频谱密度曲线

它是根据输入噪声频谱密度

乘以电路不同频率的增益

得到的仿真结果

如上

滤波器对噪声衰减最大可达到 40dB

最终在右下图看到

其将集成输出总噪声从 303uVrms

降低到了 36uVrms

滤波器噪声降低系数达到了 8.5

只要您的应用中不需要这么宽的带宽

这个方法对于降低噪声非常有效

不过这个方法

在运放电路增益高时效果最好

接下来我们看看低增益的运放应用

在这个示例中

闭环增益只有 2V/V 或者说 6dB

同样滤波器起作用了

只是其有效的衰减仅仅为 6dB

一般来说

这种滤波器将把增益从直流增益

降低到 1V/V

所以这种滤波器对于高增益电路

是最有效的噪声降低方法

我们来看看右上角的图形

噪声的衰减主要是在宽带噪声区域

最后在右下图中

可以看到增加滤波器后

噪声从 36uVrms 降低到 21uVrms

噪声降低系数为 1.7

而前面的高增益电路则为 8.5

从这里的示例

我们可以知道 Cf 滤波器

对于低增益电路不是那么有效

那么对于这种低增益情况

我们应该怎么进行合适的

噪声滤波器设计呢

在反馈环路外

靠近输出放置一个外部滤波器

是对于低增益电路来说最有效的

降低噪声的方法

从左下方增益和频率响应曲线中可以看出

带外部滤波器的电路增益持续滚降

而使用 Cf 滤波器的电路增益

则持续下降至 0dB

然后维持直到运放本身带宽极限

导致增益进一步降低

可以看出这个外部滤波器

带来了比反馈 Cf滤波器

更加明显的噪声衰减

从右上方的噪声谱密度曲线中

我们能更清楚的看出

这个外部滤波器的效果

最后我们来对比下没有滤波器

带反馈滤波器和带外部滤波器的

几种情况下的噪声频谱密度

外部滤波器模式可以达到 20 倍的

噪声衰减系数

唯一不足的是使用外部滤波器电路后

输出阻抗相对于运放输出阻抗要高一些

如果下一级输入阻抗比较高的话

是可以接受的

然而对于那些低阻抗的负载

这样做可能造成比较明显的误差

以上就是本节视频的所有内容

谢谢您的观看

请尝试以下的小测试来看看

您是否已经完全掌握本次视频的内容

谢谢

大家好

欢迎来到 TI Precision Labs

德州仪器高精度实验室

本节视频将讨论运放本征噪声的第五部分

在上一节视频中

我们学习了

一些简化噪声计算的工程经验规则

在本节视频中

我们将介绍

如何采用 TINA-TI 进行噪声的仿真

TINA-TI 是一个免费的

基于 SPICE 模型的软件

在第三个视频中

我们计算过这里所出现的

OPA627 电路的输出噪声

在这里我们将学习

用仿真的方式来解答同样的问题

采用仿真的方式

来解答噪声问题比手工计算要简单得多

自然而然地许多工程师

就直接跳过了手工计算步骤

而直接依靠仿真手段

千万不要掉入这样的陷阱

手工计算对于发现主要噪声是非常有帮助的

这点可以极大地帮助我们降低总噪声

此外仿真同时也可能产生不正确的结果

而另一方面

如果手工计算和仿真结果一致

这将让您更加确信您的结果是正确的

在开始噪声仿真前

您需要确认下电路连接是否正确

这点非常重要

因为对于一些电路连接错误

SPICE 模型不一定会提示错误或者警告

错误的电路连接

常常只会造成不正确的噪声仿真结果

这样您就会被假象欺骗

以为您的系统噪声性能真的很好

最简单的验证电路连接是否正确的方法

就是运行 AC 传递特性仿真

参考之前关于带宽的视频

您可以知道如何进行 AC 传递特性仿真

简单地手工计算一下增益和带宽

就可以确认您的仿真电路

是否如预期的那样工作

另外一点非常重要的

是您需要在仿真前检查下

采用的 SPICE 模型是否具有噪声特性

双击 TINA-TI 里的模型

然后选择 Enter Macro

就会打开一个网表

网表的上面部分

是关于模型包括的功能的描述

需要确认有没有

input voltage noise vs. frequency

和 input current noise vs frequency

这两个关键项

其他的 SPICE 软件

应该也会有类似的网表查看器

在下一个视频中

我们将介绍一个更加全面的方法

来确认噪声模型的准确度

很重要的是您应该知道

并非所有 SPICE 都会有噪声模型功能

实际上其他参数模型也是一样

因此我们常常需要了解下

采用的模型支持什么功能

对比一下仿真和手工计算的结果

在 TINA 里要运行噪声分析仿真

可以选择菜单 Analysis

然后点击 Noise Analysis

此时会出现 Noise Analysis 窗口

输入起始和截止频率

在这个示例中我们仿真的

是在噪声第三部分手工计算过的电路

其带宽是 158kHz

一般来说

截止频率最好选择为电路带宽的 10 倍

或者 20 倍以上

这样我们就可以积分

整个低通滤波器响应区域内的噪声了

而起始频率一般

都选择 0.1Hz 或者 100mHz

这样闪烁噪声就包括进来了

默认的样点数为 100

这对大多数计算都已足够

但是也可以增加更多的样点数

来获得更好的精确度

然后选择显示 output noise

和 total noise 图形

Output noise 输出噪声

是仿真仪表或者测试点的噪声频谱密度

如果仿真电路中有多个仪表

那么每个都会出现一条曲线

Total noise 总噪声

是根据之前介绍过的方法

积分得到的 RMS 噪声

下面我们来看看整个示例的仿真结果

这里我们看到了仿真的结果

左图是噪声频谱密度

也就是 TINA-TI 仿真出来的输出噪声曲线

我们可以清晰地看到闪烁噪声

宽带噪声和低通滤波器区域

因为我们没有设置任何滤波器电路

这里的滤波衰减区域

主要是由于运放的固有带宽限制引起的

右图显示的是积分后的 RMS 噪声

也就是 TINA-TI 仿真出来的总噪声

它同样是根据之前介绍过的

手工计算的公式得到的

就是将电压噪声频谱密度平方后

再在整个频段内积分

最后对其开平方根

我们就得到了这个结果

这个总噪声图形

显示了一直积到 Brick wall filter

矩形滤波器的某个给定频率的积分

比如从图中可以看出

0.1Hz 到 100KHz 范围的噪声积分

是 152uVrms

从本质上说

我们从总噪声图形

可以获得非常重要的信息

那就是总噪声是整个电路带宽内的噪声

这里可以看到整个带宽内的噪声是

303uVrms

我们注意到积分噪声

最后收敛到一个最终的值

这表明运放的低通特性

限制了总噪声值

一般来说 您将会观察到

像示例这样的积分曲线收敛结果

如果还没看到收敛至一个值

意味着您的仿真还需要增加截止频率值

现在我们来比较下仿真结果

和视频 3 的手工计算结果怎么样

总噪声手工计算结果是 324uVrms

而仿真结果为 303uVrms

两个结果非常的一致

一般来说计算和仿真都会很一致

但是也可能因为模型的间接效果

导致一些差异

如果计算结果和模型差异超过 20%

此时您应该再次检查下仿真模型

以及计算过程

从而找出其中差异的地方

现在我们已经学会了噪声仿真方法

接下来做几个练习

这个示例和刚仿真过的一样

唯一区别是增加一个反馈电容 Cf

大小为 1nF

在高频下这个增加的滤波器

会降低 Rf 和 Cf 并联的等效阻抗

由于闭环增益

是等于反馈回路阻抗除以 R1再加 1

这样闭环增益就随着频率增加而降低

到达某个频点后

电容效果相当于短路

此时闭环增益降低到 1V/V 或者 0dB

此时增益会一直维持 0dB

直到运放本身带宽极限

导致增益进一步降低

左下方的图形说明了有滤波器

和无滤波器的效果区别

可以看到当滤波电容在短路状态时

衰减度在 40dB 左右

右上图提供了输出噪声

或者噪声频谱密度曲线

它是根据输入噪声频谱密度

乘以电路不同频率的增益

得到的仿真结果

如上

滤波器对噪声衰减最大可达到 40dB

最终在右下图看到

其将集成输出总噪声从 303uVrms

降低到了 36uVrms

滤波器噪声降低系数达到了 8.5

只要您的应用中不需要这么宽的带宽

这个方法对于降低噪声非常有效

不过这个方法

在运放电路增益高时效果最好

接下来我们看看低增益的运放应用

在这个示例中

闭环增益只有 2V/V 或者说 6dB

同样滤波器起作用了

只是其有效的衰减仅仅为 6dB

一般来说

这种滤波器将把增益从直流增益

降低到 1V/V

所以这种滤波器对于高增益电路

是最有效的噪声降低方法

我们来看看右上角的图形

噪声的衰减主要是在宽带噪声区域

最后在右下图中

可以看到增加滤波器后

噪声从 36uVrms 降低到 21uVrms

噪声降低系数为 1.7

而前面的高增益电路则为 8.5

从这里的示例

我们可以知道 Cf 滤波器

对于低增益电路不是那么有效

那么对于这种低增益情况

我们应该怎么进行合适的

噪声滤波器设计呢

在反馈环路外

靠近输出放置一个外部滤波器

是对于低增益电路来说最有效的

降低噪声的方法

从左下方增益和频率响应曲线中可以看出

带外部滤波器的电路增益持续滚降

而使用 Cf 滤波器的电路增益

则持续下降至 0dB

然后维持直到运放本身带宽极限

导致增益进一步降低

可以看出这个外部滤波器

带来了比反馈 Cf滤波器

更加明显的噪声衰减

从右上方的噪声谱密度曲线中

我们能更清楚的看出

这个外部滤波器的效果

最后我们来对比下没有滤波器

带反馈滤波器和带外部滤波器的

几种情况下的噪声频谱密度

外部滤波器模式可以达到 20 倍的

噪声衰减系数

唯一不足的是使用外部滤波器电路后

输出阻抗相对于运放输出阻抗要高一些

如果下一级输入阻抗比较高的话

是可以接受的

然而对于那些低阻抗的负载

这样做可能造成比较明显的误差

以上就是本节视频的所有内容

谢谢您的观看

请尝试以下的小测试来看看

您是否已经完全掌握本次视频的内容

谢谢