电路噪声分析

因为专业所以安全目录一、电路的内部噪声与外部噪声二、电路中主要的内部噪声五、低噪声电路设计技巧四、噪声的计算三、噪声分析常用单位电路噪声分析六、同相输入运放噪声计算七、仪表放大器噪声计算八、运放的输出噪声与ADC的输入噪声一、电路的内部噪声和外部噪声一般电路噪声分两种：外部噪声来源于IC外部若有外部噪声引起干扰，应优先解决外部噪声内部噪声来源于器件本身有些工程师认为，这不应称为噪声，因为它不是随机产生的，使用干扰一词也许更为恰当。三种外部噪声来源：1RFI（射频干扰）耦合2电源噪声3接地环路外部噪声RFI（射频干扰）耦合我们的周围充斥着各种电磁波，这种电磁波很容易耦合进电路中，虽然这些电磁波通常在目标带宽以外，但器件非线性有时会调整这些信号，将其带入目标带宽区域中，特别是连接传感器的引线较长时，一般会从输入引线进入电路。抑制射频干扰办法包括：输入端滤波、屏蔽、采用双绞线输入。外部噪声电源噪声电子电路抑制电源线干扰的能力有限，尤其是频率较高时，因此必须先消除电源线上的高频干扰，使其无法到达低噪声电路，可以对电源进行适当滤波，以及IC本身采取良好的旁路措施。敏感模拟电路和逻辑数字电路应采用不同的电源，或至少应深度滤波。有些低噪声场合甚至需要采用基准源作为传感器的电源，前提是传感器的功耗极低。外部噪声接地环路原理图上到处都是接地符号，必须注意，在实际电路中，任何两点的电位都不可能完全相等，电流会流经地线，从而产生电位差，必须考虑电流如何流动，并将高电流路径与敏感电路路径隔离，例如使用星型接地配置、将数字地与模拟地单点连接。注意：外来噪声源经常会覆盖电路本身的噪声。外部噪声内部噪声内部噪声来源于信号链中的电路元件，IC元件的数据手册中相关的性能规格就是描述的这类噪声。典型的内部噪声源包括：传感器、电阻、运算放大器、模数转换器，这些噪声源是今天讨论的重点。二、电路中主要的内部噪声一般电路中主要有三种内部噪声：电阻噪声运算放大器及仪表放大器的噪声电压噪声及电流噪声模数转换器噪声电阻噪声低噪声电路设计中，首先应了解电阻噪声，电阻噪声分为两类：内部热噪声这种噪声与电阻内部构成原理无关，仅取决于总电阻、温度、带宽，它与所施加的信号无关。附加电流噪声一般称为过量噪声，它取决于电阻的构造，与热噪声不同，电阻电流噪声与所施加的电压有关。薄膜电阻和绕线电阻具有出色的电流噪声性能，其主要是内部热噪声。碳膜电阻则不然，一般认为其噪声性能较差，后面讨论低噪声设计都采用高品质薄膜电阻，因此可以忽略电流噪声，只关注于热噪声。电阻噪声下图是理想电阻的热噪声计算公式，可以看出，它取决于温度、电阻、带宽和玻尔兹曼常数。记住与电阻相关的参数很有用，但在实际设计中，并不要求大家记住这个公式，因为我们有一个非常方便的速算法，请注意这里是均方根电压（所谓的有效值电压）而不是峰峰值电压。公式中含有一个常数项：玻尔兹曼常数K；第二项是温度，这里请注意，噪声随温度升高而增大，此温度的单位为开尔文K，因此温度对噪声的影响不如你想象的那样大，例如温度从25℃升高到85℃（标准工业温度范围的上限），只相当于K式刻度上的20%多一点，再取平方根，其对噪声的影响只有约10%，多数工程师会忽略温度对噪声的影响，但要记住我们看到的噪声规格都是在25℃的值；第三项是电带宽，最后一项是阻值。电阻噪声大家应当记住下面的公式，1KΩ电阻在室温下的热噪声是4nV/√𝑯𝒛无论从事何种噪声相关工作，这个公式都将让大家永远受益。这个公式很容易应用到其他电阻值的热噪声计算，只需要将被测电阻值开平方再乘以4nV/√𝑯𝒛即可。电阻噪声讨论几个常用电阻电路的热噪声计算，下图为电阻分压器的电阻热噪声分析模型。记住在分析噪声时，应将电源等效为地，它与分析放大电路的交流通路一样。电阻噪声惠斯通电桥（压力、温度等）噪声分析如下图所示。这里注意：在仅分析电阻噪声时，电阻可简化为上图最后一种模型，实际中一般简化为上图的第三种模型，因为要考虑运放的电流噪声（噪声是求均方根和运算）。运算放大器噪声运算放大器噪声模型如下图所示。放大器噪声分为两类：1电压噪声；2电流噪声。在运放内部由许多晶体管组成，这些晶体管都有噪声，幸运的是所有的这些噪声都可以折合到运放的输入端（一般是同相输入端），如下图的Vx。运算放大器噪声运放电压噪声规格在数据手册中通常以两种方式表示：nV/𝑯𝒛uVpp或uVrms下表为AD8226的技术规格书中关于电压和电流噪声的描述。运算放大器噪声查看数据手册中的噪声特性时，一定要注意说明的是折合到输入端RTI（ReferredtoInput）还是折合到输出端RTO（ReferredtoOutput）,如果没有特殊说明，一般都是按照折合到输入端来说的。但是对于其他类型的固定增益放大器，例如差动放大器，噪声可能是折合到输出端。请注意这种噪声会被放大器放大，例如增益为10的同相放大器，出现在输出端的噪声将是指标中给出的数据的10倍，如下如所示。一些电路配置的噪声增益可能大于信号增益，例如反相配置的放大器，例如信号增益为-1的反相放大器，其噪声增益实际为2。为了确定实际噪声增益，需要将所有外部电压源短路，同时记住可以将电路的RTI噪声看做是出现在放大器正输入端的噪声，如果以这一假设分析电路，应该能确定噪声所接受的增益。仪表放大器噪声仪表放大器的噪声计算与运算放大器的噪声计算稍有不同，对于运算放大器，所有内部晶体管噪声都可以折合到输入端，换言之，所有噪声源都会按增益比例缩放，仪表放大器则不然，电路中的一些噪声会按照增益比例缩放，而其他噪声则与增益无关，这里与增益相关的噪声量显示为ein，与增益无关的噪声量显示为eno，数据手册中一般都有二者关系，如下图所示。注意此电路未考虑电阻噪声运算放大器噪声电流噪声除电压噪声外，运放输入端还有电流噪声，如果运放输入端有电阻，电流噪声将与之相互作用产生电压噪声，例如大多数的源电压就有一定的内阻，毕竟将高阻抗信号源转换为低阻抗信号源是我们使用运算放大器的原因之一，电流噪声流经与放大器相连的电阻产生电压噪声，一般来说，放大器的输入偏置电流越高，则电流噪声越高。下表为AD8226的技术规格书中关于电流噪声的描述。运算放大器噪声噪声计算实例第一幅图显示具有一定源电阻的电压跟随器配置，运算放大器的电流噪声会与信号源内阻相互作用，在输出端产生一定的额外噪声，第二个幅图显示反馈路径中的电阻如何与电流噪声相互作用，电流噪声流经反馈电阻的并联组合，在输出端产生一个额外噪声源，然后此噪声源经放大器放大，到达输出端。模数转换器噪声静态ADC的数据手册以Vrms或Vpp的形式给出噪声特性（静态数据采集）；动态ADC是用代码跃迁噪声来表示（动态数据采集）噪声特性。表6显示AD7190（4.8ksps带宽）的噪声特性指标，右边的图及最下面的表分别显示AD7689（250ksps）的直方图表示的代码跃迁噪声及规格表中显示的噪声性能。模数转换器噪声下图为信噪比与Vrms之间的关系，使用信噪比计算模数转换器的rms值与手册中给出的跃迁噪声的值基本是一样的。三、噪声分析常用单位uVrms、uVpp峰峰值噪声、有效值噪声与带宽的关系噪声（电压、电流）谱密度uVrms、uVpp、nV/𝑯𝒛之间的换算峰峰值噪声、有效值噪声峰峰值噪声是指波形中，波峰到波谷之间的距离，它仅取决于两个点，有利也有弊，有利的一面是非常容易计算，只需将最大点减去最小点，不利的一面是复现性不强，不太精确，噪声是一个随机过程，实际上这种测量依赖于波形的极值，采集数据的时间越长，则越有可能获得极值。均方根噪声使用波形中的所有点，因此比峰峰值噪声精确的多，测量的点越多，均方根值越精确，但不利的是，由于要使用所有点，因此计算时间较长。峰峰值噪声、有效值噪声与带宽的关系关于峰峰值和均方根值测量有一点需要注意，它们会随带宽发生较大变化，对于同一放大器，带宽越低，噪声也越低。下图清楚显示了这一点。实验中，我们测量了仪表放大器AD8222在多个不同带宽时的噪声，可以清楚的看到带宽对于噪声的影响之大。带宽每提高十倍，噪声增加三倍。由于这些测量依赖于带宽，因此有几点需要注意：首先，需要了解电路的带宽特性，需要确保测量仪器的带宽高于电路的带宽，只有这样，才能获得精确的读数。此外，使用数字万用表时，规定均方根值噪声或峰峰值噪声时，同时必须明确特定的带宽。对于绝大多数数据手册，带宽为0.1Hz至10Hz频带，低频时更关注0.1~10Hz的频带。噪声谱密度频谱密度图使均方根测量更进一步，它实际上是将噪声测量分为不同的区间，这样便可以明确哪些频率具有较多的噪声，下图电压、电流噪声谱密度来自AD8422的数据手册。由于频谱密度图将测量分为许多区间，因此需要大量的数据才能获得一张清晰的图。噪声谱密度高频下的噪声为白噪声(即其频谱密度不会随频率而变化)。这种情况适用于运算放大器的大部分频率范围，但在低频率条件下，噪声频谱密度会以3dB/倍频程上升，密度在此区域内与频率成反比，所以电压噪声频谱密度与频率的平方根成反比。因此，这种噪声通常称为“1/f噪声”。但应注意，有些教材中仍旧使用“闪烁噪声”这个旧术语。这种噪声开始增加时的频率称为“1/f转折频率”(1/fcorner)Fc，也是品质因数之一该频率越小越好。1/f噪声：闪烁的烛光，1/f噪声为什么会在半导体中存在，这是个很深的命题！宇宙中的“1/f波动(1/ffluctuation，1/f噪声)”具有维系大环境平衡、和谐的重要作用，在国外，“1/f波动”引起了科学家们的极大重视。uVrms、uVpp、nV/√𝑯𝒛之间的换算一般先将频谱密度转算成电压均方根值，然后再将电压均方根值换算为电压峰峰值。注意：一般不能反过程运算，主要是前面提到的峰峰值测量误差较大。①nV/√HzuVrms②uVrmsuVpp从噪声谱密度到均方根值理论上从噪声谱密度图获取均方根值的正确方法是进行微积分运算，实际使用中一般采用速算方法，将数据手册上的标称值乘以目标带宽的平方根，如果目标频率带宽至少比1/f高出10倍，适用速算法可以获得极佳的结果，宽带噪声将湮没1/f噪声，宽带噪声具有平坦的噪声密度，因此其积分值等于速算法所得的近似值。等效噪声带宽让通带中的一些信号通过并阻止阻带中的一些信号，这就是砖墙式滤波器，现实世界中并不存在这样的滤波器，实际中的滤波器比较接近，他会衰减通带中的一小部分信号，让大部分信号通过通带，这会影响滤波器通过的噪声量如下图所示，这里显示的单极点滤波器（巴特沃斯）通过的噪声量是截止频率相同的砖墙式滤波器的1.57倍（等效噪声带宽），因此我们需要在计算中考虑这一因素，极点数越多，则滤波器越接近砖墙式滤波器，从阻带中漏入的噪声也越来越少。系统带宽接近1/f转折频率如果系统的带宽接近1/f转折频率时，第一首先确保不要使用1/f转折频率较差的放大器，精密放大器的1/f转折频率通常小于100Hz，而通用、高速放大器的转折频率往往高于1000Hz；第二如果只想在两个放大器中选择其一，则只需比较两个放大器的0.1Hz~10Hz的峰峰值噪声特性，如下图示；第三如果带宽非常低，可能需要使用自稳零（Autozero）或斩波放大器（Chopper），这类放大器的1/f噪声为零或非常低，但其白噪声一般较高，而且在斩波或自稳零频率附近可能具有额外噪声；第四如果要通过计算得到噪声值，则需要取图中的多个点，逐段进行计算。均方根值转换为峰峰值理论上，峰峰值噪声可能无穷大，因为高斯分布曲线的极限值可能无穷大，但实际上绝大部分噪声位于两个方向的三个标准差范围内，因此将均方根噪声乘以6.6便可得到峰峰值噪声的合理估计值。四、噪声的计算噪声的加法、乘法、除法噪声的快速计算法噪声的加法、乘法、除法噪声的加法规则为噪声的平方和，假设噪声源不相关，这一假设在绝大多数情况下是成立的，噪声的乘法、除法规则与一般的信号相同。噪声的快速计算法噪声的计算时有几点需要注意：1室温下，1KΩ电阻的噪声对应4nV/𝑯𝒛；2对噪声源求和时