噪聲是模擬電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)中心主題,直接影響從測(cè)量中提取多少信息以及獲得所需信息的經(jīng)濟(jì)性。不幸的是,存在大量關(guān)于噪聲的混淆和錯(cuò)誤信息,這可能導(dǎo)致性能不佳、代價(jià)高昂的過度設(shè)計(jì)或資源使用效率低下。本文探討了模擬設(shè)計(jì)中噪聲分析的11個(gè)最持久的誤區(qū)。
1. 降低電路中的電阻值始終可以提高噪聲性能
眾所周知,根據(jù)約翰遜噪聲方程,噪聲電壓隨電阻值的增加而增加,這是一個(gè)眾所周知的關(guān)系,e有效值= √4kTRB,其中 e有效值是均方根電壓噪聲,k是玻爾茲曼常數(shù),T是以開爾文為單位的溫度,R是電阻,B是帶寬。這導(dǎo)致許多工程師得出結(jié)論,為了降低噪聲,應(yīng)該減小電阻值。雖然這通常是正確的,但不能假設(shè),因?yàn)橛幸恍┨囟ǖ睦颖砻鬏^大的電阻可以改善噪聲性能。例如,在大多數(shù)情況下,電流是通過電阻器通過并測(cè)量產(chǎn)生的電壓來測(cè)量的。根據(jù)歐姆定律,產(chǎn)生的電壓與電阻值成正比,V = I × R,但如上所示,電阻的約翰遜噪聲與電阻值的平方根成正比。由于這種關(guān)系,電阻值每加倍,信噪比就會(huì)提高3 dB。這種趨勢(shì)一直持續(xù)到產(chǎn)生的電壓過大或功耗過高。
2.所有噪聲源的噪聲譜密度可以相加,計(jì)算結(jié)束時(shí)可以考慮帶寬
將多個(gè)噪聲源的噪聲頻譜密度(nV/√Hz)組合在一起(電壓噪聲源組合為平方根和)可以節(jié)省時(shí)間,而不是單獨(dú)計(jì)算每個(gè)噪聲源的均方根噪聲,但這種簡(jiǎn)化僅適用于每個(gè)噪聲源看到的帶寬相同的情況。如果每個(gè)噪聲源看到的帶寬不同,它就會(huì)成為一個(gè)危險(xiǎn)的陷阱。圖1顯示了過采樣系統(tǒng)的含義。從噪聲頻譜密度來看,增益放大器將主導(dǎo)系統(tǒng)的總噪聲,但一旦考慮帶寬,每級(jí)貢獻(xiàn)的均方根噪聲非常相似。
圖1.使用均方根噪聲而不是頻譜密度進(jìn)行噪聲計(jì)算的理由。
3. 在手動(dòng)計(jì)算中包括每個(gè)噪聲源非常重要
在設(shè)計(jì)中考慮每個(gè)噪聲源可能很誘人,但設(shè)計(jì)人員的時(shí)間是寶貴的,這在大型設(shè)計(jì)中可能非常耗時(shí)。全面的噪聲計(jì)算最好留給仿真軟件。但是,設(shè)計(jì)人員如何簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程中所需的手噪計(jì)算呢?忽略低于特定閾值的次要噪聲源。如果噪聲源1/5e有效值主要噪聲源(或參考同一點(diǎn)的任何其他噪聲源)的值,它對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)小于2%,可以合理地忽略。設(shè)計(jì)師爭(zhēng)論在哪里繪制閾值,低于該閾值就沒有必要考慮噪聲源,而是該水平是否1/3,1/5或1/10(分別增加了總噪聲的5%、2%和0.5%),在設(shè)計(jì)足夠固定以完全仿真或計(jì)算之前,不值得擔(dān)心比這更小的噪聲源。
4. 選擇噪聲僅為ADC噪聲1/10的ADC驅(qū)動(dòng)器
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)據(jù)手冊(cè)可能建議使用低噪聲ADC驅(qū)動(dòng)放大器驅(qū)動(dòng)模擬輸入,該放大器具有類似1/10ADC的噪聲。但是,這并不總是最佳選擇。在系統(tǒng)中,通常值得從系統(tǒng)級(jí)考慮ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲的權(quán)衡。
首先,如果ADC驅(qū)動(dòng)器之前的系統(tǒng)中的噪聲源遠(yuǎn)大于ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲,則選擇噪聲極低的ADC驅(qū)動(dòng)器不會(huì)帶來任何系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。換言之,ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲應(yīng)與系統(tǒng)其余部分相稱。
其次,即使在只有一個(gè)ADC和一個(gè)放大器驅(qū)動(dòng)它的簡(jiǎn)單情況下,檢查噪聲權(quán)衡并確定對(duì)系統(tǒng)的影響仍然可能是有利的。其原因可以通過數(shù)值示例更清楚地說明。考慮一個(gè)系統(tǒng),該系統(tǒng)使用16位ADC,SNR值相當(dāng)于100 μV rms噪聲,以及10 μV rms噪聲的放大器作為ADC驅(qū)動(dòng)器。將這些源組合為平方根和時(shí),總噪聲為100.5 μV rms,非常接近ADC的單獨(dú)噪聲。可以考慮以下兩個(gè)使放大器和ADC更接近平衡的選項(xiàng),以及對(duì)系統(tǒng)性能的影響。如果將16位ADC替換為類似的18位ADC,其SNR相當(dāng)于40 μV rms噪聲,則總噪聲將變?yōu)?1 μV rms。或者,如果保留16位ADC,但將驅(qū)動(dòng)器替換為功耗較低的放大器,該放大器產(chǎn)生30 μV rms噪聲,則總噪聲將為104 μV rms。與原始組合相比,這些權(quán)衡之一可能是更好的系統(tǒng)性能選擇。這只是評(píng)估權(quán)衡及其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響的問題。
5. 在直流耦合電路中必須始終考慮1/f噪聲
1/f噪聲對(duì)極低頻電路構(gòu)成威脅,因?yàn)樗鼰o視許多常見的噪聲抑制技術(shù),如低通濾波、平均和長(zhǎng)積分。然而,許多直流電路以白噪聲源為主,以至于計(jì)算1/f噪聲沒有用,因?yàn)樗粫?huì)增加總噪聲。要看到這種效果,請(qǐng)考慮具有1/f噪聲轉(zhuǎn)折點(diǎn)f的放大器。數(shù)控,在 10 Hz 和 10 nV/√Hz 的寬帶噪聲下。計(jì)算10秒采集中的噪聲,用于計(jì)算具有和不使用1/f噪聲的各種帶寬,以確定將其排除在外的影響。在這種情況下,當(dāng)帶寬為100倍f時(shí),寬帶噪聲開始占主導(dǎo)地位數(shù)控,當(dāng)帶寬超過1000倍f時(shí),1/f噪聲不顯著數(shù)控.良好的現(xiàn)代雙極性放大器的噪聲角可能遠(yuǎn)低于10 Hz,而零漂移放大器幾乎完全消除了1/f噪聲。
帶寬(赫茲) | 帶寬/英尺數(shù)控 |
寬帶 (nV rms) |
1/f 噪聲 (nV 均方根) |
總噪聲( nV rms) |
由于 1/f 而增加 |
100 | 10 | 100 | 220 | 240 | 140% |
300 | 30 | 170 | 250 | 310 | 77% |
1000 | 100 | 320 | 290 | 430 | 36% |
3000 | 300 | 550 | 330 | 640 | 16% |
10000 | 1000 | 1k | 360 | 1.1k | 6% |
30000 | 3000 | 1.7千米 | 400 | 1.8千米 | 3% |
100000 | 10000 | 3.2k | 440 | 3.2k | 1% |
6. 由于1/f噪聲在較低頻率下增加,因此直流電路具有無限噪聲
盡管直流是電路分析的有用概念,但事實(shí)是,如果認(rèn)為直流在0 Hz下工作,那么實(shí)際上沒有這樣的事情。隨著頻率越來越低,接近0 Hz,周期變得越來越長(zhǎng),接近無窮大。這意味著即使在理論上響應(yīng)直流的電路中,也可以看到最小頻率。該最小頻率取決于采集的長(zhǎng)度或孔徑時(shí)間,即監(jiān)視設(shè)備輸出的時(shí)間。如果工程師打開設(shè)備并觀察輸出 100 秒,他們可以觀察到的最低頻率偽影將是 0.01 Hz。這也意味著在這種情況下可以觀察到的最低頻率噪聲也是0.01 Hz。
為了通過數(shù)值示例進(jìn)行擴(kuò)展,請(qǐng)考慮一個(gè)直流至1 kHz電路,其中輸出受到連續(xù)監(jiān)控。如果在電路的前100秒內(nèi)觀察到一定量的1/f噪聲,從0.01 Hz到1 kHz(5個(gè)十倍頻程的頻率),那么30年內(nèi)觀察到的噪聲量,即大約1 nHz(12個(gè)十倍頻程),可以計(jì)算為√12/5 = 1.55,或比前100秒觀察到的噪聲多55%。這種有點(diǎn)平庸的增加甚至假設(shè)了最壞的情況:1/f噪聲繼續(xù)增加到1 nHz,到目前為止,還沒有測(cè)量到的證據(jù)。理論上,當(dāng)孔徑時(shí)間定義不明確時(shí),1/f噪聲可以計(jì)算到在電路使用壽命期間等于1的頻率。實(shí)際上,這些很長(zhǎng)的時(shí)間線變化主要是由老化效應(yīng)和長(zhǎng)期漂移而不是1/f噪聲主導(dǎo)的。許多工程師為直流電路中的噪聲計(jì)算設(shè)置了最小頻率,例如0.01 Hz或1 mHz,以保持計(jì)算的實(shí)用性。
7. 噪聲等效帶寬是噪聲的乘數(shù)
噪聲等效帶寬(NEB)是噪聲計(jì)算的有用簡(jiǎn)化。來自電路帶寬之外的一些噪聲能夠進(jìn)入電路,因?yàn)楦哂诮刂诡l率的增益不為零。NEB是計(jì)算出的理想磚墻濾波器的截止頻率,該濾波器將允許與實(shí)際電路相同的噪聲量。NEB大于–3 dB帶寬,并且已針對(duì)常見濾波器類型和階數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,例如,它比1極點(diǎn)低通濾波器或方程形式的NEB的–3 dB帶寬大1.57×1 極= 1.57 ×帶寬3分貝.然而,對(duì)于在噪聲方程中放置乘法因子的位置,似乎一直存在混淆。請(qǐng)記住,NEB 是對(duì)帶寬的調(diào)整,而不是噪聲的調(diào)整,因此它位于平方根之下,如下所示:
8.電壓噪聲最低的放大器是最佳選擇
選擇運(yùn)算放大器時(shí),電壓噪聲通常是設(shè)計(jì)人員考慮的唯一噪聲規(guī)格。重要的是不要忽視當(dāng)前的噪聲。除輸入偏置電流補(bǔ)償?shù)忍厥馇闆r外,電流噪聲通常是輸入偏置電流的散粒噪聲:我n= √2 × q × 我B.電流噪聲通過源電阻轉(zhuǎn)換為電壓,因此當(dāng)放大器輸入前面有一個(gè)大電阻時(shí),電流噪聲可能比電壓噪聲貢獻(xiàn)更大。電流噪聲成為問題的典型情況是,當(dāng)?shù)驮肼曔\(yùn)算放大器與輸入串聯(lián)時(shí)具有大電阻。例如,考慮低噪聲運(yùn)算放大器ADA4898-1,其10 kΩ電阻與輸入串聯(lián)。ADA4898-1的電壓噪聲為0.9 nV/√Hz,10 kΩ電阻的電壓噪聲為12.8 nV/√Hz,2.4 pA/√Hz電流噪聲乘以10 kΩ電阻為24 nV/√Hz,是系統(tǒng)中最大的噪聲源。在這種情況下,電流噪聲占主導(dǎo)地位,通常可以找到電流噪聲較低的器件,從而降低系統(tǒng)的噪聲。對(duì)于精密放大器尤其如此,但也有高速FET輸入運(yùn)算放大器可以幫助高速電路。例如,與其選擇ADA4898-1,也不想獲得0.9 nV/√Hz電壓噪聲的優(yōu)勢(shì),不如選擇JFET輸入放大器,如AD8033或ADA4817-1。
9. 在第一級(jí)獲得大量增益可實(shí)現(xiàn)最佳噪聲性能
通常建議在第一級(jí)采用增益以獲得更好的噪聲性能,這是正確的,因?yàn)榕c后續(xù)級(jí)的噪聲相比,信號(hào)會(huì)更大。但是,獲取增益的缺點(diǎn)是它減少了系統(tǒng)可以容納的最大信號(hào)。在某些情況下,與其在第一級(jí)獲得大量增益,這提高了測(cè)量的靈敏度,但限制了動(dòng)態(tài)范圍,不如限制第一級(jí)的增益量并以高分辨率進(jìn)行數(shù)字化,以最大限度地提高靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。
10. 對(duì)于給定電阻,所有電阻類型都具有相同的噪聲
電阻器的約翰遜噪聲是基本噪聲,從而產(chǎn)生特定電阻器在特定溫度下的噪聲的簡(jiǎn)單方程。然而,約翰遜噪聲是電阻器中可以觀察到的最少的噪聲量,這并不意味著所有電阻類型都與噪聲相同。此外,還存在過多的噪聲,這是電阻器中1/f噪聲的來源,與電阻器類型高度相關(guān)。過量噪聲,有點(diǎn)令人困惑,也稱為電流噪聲,與電流在不連續(xù)介質(zhì)中的流動(dòng)方式有關(guān)。它被指定為噪聲指數(shù) (NI),以 dB 為單位,以 1 μV rms/V 表示直流每十年。這意味著如果有 1 V直流在NI為0 dB的電阻上,給定頻率十進(jìn)制內(nèi)的多余噪聲為1 μV rms。碳和厚膜電阻具有一些最高的NI,范圍高達(dá)大約+10 dB,最好避免在信號(hào)路徑的噪聲敏感部分使用它們。薄膜電阻器通常在–20 dB左右要好得多,而金屬箔和繞線電阻器可以低于–40 dB。
11. 如果采集足夠多,平均可以無限期地降低噪聲
平均被認(rèn)為是一種通過平均值數(shù)的平方根來減少噪聲的方法。當(dāng) NSD 持平時(shí),這是有條件的。但是,這種關(guān)系在 1/f 范圍和其他一些情況下中斷。考慮在恒定頻率f下采樣的系統(tǒng)平均情況s,使得 n 個(gè)樣本被 n 取平均值和抽取,并返回一些數(shù)字 m 抽取的樣本。取 n 個(gè)平均值會(huì)將抽取后的有效采樣率移動(dòng)到 fs/n,將系統(tǒng)看到的有效最大頻率降低 n 倍,并將白噪聲降低 √n。但是,獲得m個(gè)樣本也需要n倍的時(shí)間,因此系統(tǒng)可以看到的最低頻率也降低了n倍(請(qǐng)記住,沒有0 Hz這樣的東西)。取的平均值越多,這些最大和最小頻率在頻帶上的移動(dòng)就越低。一旦最大和最小頻率都在1/f范圍內(nèi),總噪聲僅取決于這些頻率的比值,因此增加平均值的數(shù)量不會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生進(jìn)一步的好處。對(duì)于多斜率等積分ADC,相同的邏輯也適用于較長(zhǎng)的積分時(shí)間。除了這個(gè)數(shù)學(xué)練習(xí)之外,還有其他實(shí)際限制。例如,如果量化噪聲是主要噪聲源,使得具有直流輸入電壓的ADC的輸出是沒有閃爍的恒定代碼,則任意數(shù)量的平均值都將返回相同的代碼。
審核編輯:郭婷
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