采用Pspice分析系統(tǒng)評(píng)估噪聲

　　間接的 Pspice 噪聲仿真

　　即使有源元件沒(méi)有準(zhǔn)確的噪聲模型，我們也可以利用 Pspice 系統(tǒng)簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)噪聲所涉及的繁復(fù)運(yùn)算。以上例而言，我們可以利用 Pspice 進(jìn)行額外運(yùn)算的仿真，以便計(jì)算輸出噪聲，因而稱其為“間接仿真”。這種方式無(wú)需進(jìn)行噪聲仿真，便可計(jì)算指定頻率范圍內(nèi)每一噪聲源至輸出的增益。Pspice Probe 可以顯示每一噪聲源的增益頻率響應(yīng)，而我們可以將 Pspice 增益仿真結(jié)果輸入數(shù)據(jù)表分別進(jìn)行處理，以估算均方根噪聲。

　　以下逐步說(shuō)明如何進(jìn)行間接 Pspice 噪聲仿真噪聲模擬測(cè)試所需的每一步驟，另外還列出圖2 所示電路的仿真測(cè)試結(jié)果。

　　步驟 1：對(duì)于每一個(gè)噪聲源進(jìn)行噪聲預(yù)測(cè)時(shí)，先使用Pspice系統(tǒng)進(jìn)行“交流電AC”對(duì)其頻率掃描分析模擬分析仿真其輸出電壓，并將每一噪聲源的頻率掃描一遍，以便模擬其輸出電壓。每一噪聲源都需經(jīng)過(guò)一次交流電的模擬分析。電阻的熱噪聲可作為并聯(lián)某一特定電阻的并聯(lián)電流源的簡(jiǎn)單模型處理，(在Pspice里并聯(lián)電流源比電壓源更容易增減因?yàn)樵?Pspice 系統(tǒng)內(nèi)增減并聯(lián)電源比增減串聯(lián)電源較為容易)。
圖4是測(cè)量射頻熱噪聲的電路。

　　其他噪聲源的測(cè)試結(jié)果并沒(méi)有在下面一一列出，但若按照同樣的方式計(jì)算，有關(guān)結(jié)果應(yīng)大致相同。以下是圖2 所示電路的其他噪聲源：

　　U1 輸入噪聲電壓

　　U1 反相輸入噪聲電流

　　U2 輸入噪聲電壓

　　U2 反相輸入噪聲電流

　　R2 熱噪聲

　　R3 熱噪聲

　　RD 熱噪聲

　　步驟 2：利用 Pspice Probe 函數(shù)曲線顯示“輸出電壓除以輸入電壓”的結(jié)果，換言之，可以藉此計(jì)算每一噪聲源的增益。

　　圖5是圖4 所示電路的仿真結(jié)果，圖中的 Pspice Probe 顯示本示例幾個(gè)指定節(jié)點(diǎn)名稱的“Vout/ I_RF_thermal”增益。

　　步驟 3：注意每一次仿真的最高增益及適用的 -3dB 帶寬 (或 -3dB 的滾降頻率)。我們可以用數(shù)據(jù)表整理并處理獲得的相關(guān)結(jié)果。

　　注意圖5 的光標(biāo)必須位于峰值響應(yīng)的 70.7% (-3dB)，否則便無(wú)法讀取較低及較高的 -3dB 頻率 (即以下圖表1 的“f1”及“f2”)。與步驟 1 所列重要噪聲源有關(guān)的所有資料都在表 1 內(nèi)列出。有關(guān)射頻熱噪聲的數(shù)字均列于“噪聲源”#5 的一欄之內(nèi)，高亮顯示突出其重要性。

　　步驟 4：步驟 3 的增益如乘以噪聲源振幅及噪聲帶寬的平方根，便可得出某一噪聲源占總輸出噪聲的百分比。只要將單極點(diǎn)響應(yīng)的仿真結(jié)果乘以 1.25因子 [SQRT (pi/2)]，便可為非磚墻式的行為提供補(bǔ)償。如欲提高數(shù)字的準(zhǔn)確性，可參考應(yīng)用注釋 OA-12 (http://www.national.com/an/OA/OA-12.pdf)。文中詳細(xì)討論如何為不同峰值的帶通響應(yīng)作出更準(zhǔn)確的校正。本文為方便起見(jiàn)，全部采用 1.25 因子，如此可以簡(jiǎn)化解釋過(guò)程

　　至于電阻熱噪聲的幅值，以下是室溫下粗略的等效并聯(lián)噪聲電流：

　　i_R_thermal( 4pA/RtHz / sqrt [ R(Kohm)]

　　因此，以 100KW的電阻為例，其噪聲源應(yīng)為 0.4pA/RtHz。

　　表2是表 1 添加了 G、H、I 等欄之后的最新數(shù)據(jù)：

　　注意：表2“U1 噪聲電壓”一行所列數(shù)字 (即G欄第一行的15nV/RtHz)是 LMV772 噪聲電壓在 12Hz (f1)至78kHz(f2)范圍內(nèi)的“視覺(jué)平均數(shù)”(參看圖6)。用這樣粗略的方法計(jì)算近似值基本上不會(huì)很準(zhǔn)確，因此我們應(yīng)注意上述分析只可得出粗略估計(jì)數(shù)值。

　　若個(gè)別的增益頻率響應(yīng)比圖5 所示實(shí)例的帶通響應(yīng)更為復(fù)雜，我們可以利用“肉眼”估算其平均值及實(shí)際的高、低頻率，并將有關(guān)數(shù)值列于數(shù)據(jù)表內(nèi)。這種間接分析方式的主要優(yōu)點(diǎn)是可以清楚顯示個(gè)別噪聲占總噪聲量的百分比。作為初步的分析來(lái)說(shuō)，這種初步的粗略估算是可以接受的。
　　
　　此外，RF_thermal 高亮顯示在表格2中(標(biāo)記在噪聲“source#5”列中)。以下詳細(xì)列出 RF_thermal 的計(jì)算方法以供參考：

　　G 列：

　　噪聲源振幅

　　I 列：

　　步驟 5：利用算試表將來(lái)源不同的噪聲的平方數(shù)值加起來(lái)，然后取其平方根，以便計(jì)算所有噪聲源的總均方根噪聲。

　　表3將最后計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)一一列出。

　　表3右下角列出的“4.99mV_RMS”是 6 個(gè)噪聲源加在一起的總和，這是噪聲總量的最后答案。若與前文所說(shuō)的直接 Pspice 噪聲仿真(4.39 mV_RMS)比較，兩者相差約 14%，對(duì)于粗略的間接分析方法來(lái)說(shuō)，14% 的偏差尚算合理，可以接受。

　　以下是這個(gè)最后答案的計(jì)算方法：



　　我們應(yīng)注意一點(diǎn)，上述步驟只利用 Pspice 計(jì)算不同噪聲貢獻(xiàn)的增益，并沒(méi)有利用較為準(zhǔn)確的有源元件噪聲宏模型。但即使采用間接的 Pspice 方法，噪聲數(shù)據(jù)的可靠性仍然非常重要。此外，數(shù)據(jù)算試表一旦編列完成，哪一個(gè)才是最大的噪聲來(lái)源以至這一噪聲占總噪聲量的百分比等資料便一目了然。直接模擬的方法便完全不同，直接模擬的測(cè)試結(jié)果不會(huì)顯示哪一噪聲源占主導(dǎo)地位。以圖6為例來(lái)說(shuō)，表內(nèi)清楚顯示 RF_thermal 是最大的噪聲源。

　　這個(gè)間接的 Pspice 方法還有另一優(yōu)點(diǎn)，那就是算試表編列完成之后，即使測(cè)試的先決條件有變，也很容易預(yù)測(cè)全新情況下的噪聲量。以 LMV771 為例來(lái)說(shuō)，這款芯片的輸入噪聲電流極低 (0.001pA/RtHz)，我們即使以輸入噪聲電流為 0.3pA/RtHz 的 LMV721 雙極型輸入芯片代替LMV771，也可利用算試表即時(shí)預(yù)測(cè)新的輸出噪聲：

　　若以 LMV721 取代 LMV772，輸出噪聲之中的“U1 噪聲電流”部分 (即表 3 的 I 欄第二列) 的數(shù)值可利用以下等式計(jì)算出來(lái)：

　　新的輸出噪聲總量：

　　換言之，輸出噪聲可能會(huì)增加至 12.4mV_RMS， 而 U1 輸入噪聲電流會(huì)取代 RF_thermal 而成為最大的噪聲來(lái)源。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文主要討論了一些利用 Pspice 的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行仿真的方法，確保我們即使沒(méi)有準(zhǔn)確或完整的噪聲宏模型，仍可仿真噪聲來(lái)源及其分布。上文分別介紹直接及間接的 Pspice 噪聲仿真方法，擴(kuò)充了用戶的可供選擇的分析工具庫(kù)，來(lái)解決噪聲評(píng)估的問(wèn)題。上文還詳細(xì)介紹間接的仿真方法，以加深用戶對(duì)這個(gè)方法的了解，讓用戶可以利用這種有用的工具，找出系統(tǒng)的最大噪聲來(lái)源，然后將之隔離處理，確保用戶可以利用簡(jiǎn)便而具成本效益的分析方法，作出更精明的決定。■