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【汇总】关于模拟电路设计中噪声分析的11个误区

路过的码农
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噪声是模拟电路设计的一个核心问题,它会直接影响能从测量中提取的信息量,以及获得所需信息的经济成本。

遗憾的是,关于噪声有许多混淆和误导信息,可能导致性能不佳、高成本的过度设计或资源使用效率低下。本文阐述关于模拟设计中噪声分析的11个由来已久的误区。

1.降低电路中的电阻值总是能改善噪声性能

噪声电压随着电阻值提高而增加,二者之间的关系已广为人知,可以用约翰逊噪声等式来描述:erms = √4kTRB,其中erms为均方根电压噪声,k为玻尔兹曼常数,T为温度(单位为K),R为电阻值,B为带宽。这让许多工程师得出结论:为了降低噪声,应当降低电阻值。虽然这常常是正确的,但不应就此认定它是普遍真理,因为在有些例子中,较大的电阻反而能够改善噪声性能。举例来说,在大多数情况下,测量电流的方法是让它通过一个电阻,然后测量所得到的电压。根据欧姆定律V = I × R,产生的电压与电阻值成正比,但正如上式所示,电阻的约翰逊噪声与电阻值的平方根成正比。由于这个关系,电阻值每提高一倍,信噪比可以提高3 dB。在产生的电压过大或功耗过高之前,此趋势一直是正确的。

2.所有噪声源的噪声频谱密度可以相加,带宽可以在最后计算时加以考虑

将多个噪声源的噪声频谱密度(nV/√Hz)加总(电压噪声源按平方和开根号),而不分别计算各噪声源的rms噪声,可以节省时间,但这种简化仅适用于各噪声源看到的带宽相同的情况。如果各噪声源看到的带宽不同,简单加总就变成一个可怕的陷阱。图1显示了过采样系统中的情况。从噪声频谱密度看,系统总噪声似乎以增益放大器为主,但一旦考虑带宽,各级贡献的rms噪声其实非常相近。

3.手工计算时必须包括每一个噪声源

设计时有人可能忍不住要考虑每一个噪声源,但设计工程师的时间是宝贵的,这样做在大型设计中会非常耗时。全面的噪声计算最好留给仿真软件去做。不过,设计人员如何简化设计过程需要的手工噪声计算呢?答案是忽略低于某一阈值的不重要噪声源。如果一个噪声源是主要噪声源(或任何其他折合到同一点的噪声源)的1/5 erms值,其对总噪声的贡献将小于2%,可以合理地予以忽略。设计人员常会争论应当把该阈值选在哪里,但无论是1/3、1/5还是1/10 (分别使总噪声增加5%、2%和0.5%),在设计达到足以进行全面仿真或计算的程度之前,没必要担心低于该阈值的较小噪声源。

【汇总】关于模拟电路设计中噪声分析的11个误区

图1.使用rms噪声而不是频谱密度进行噪声计算的理由

4.应挑选噪声为ADC 1/10的ADC驱动器

模数转换器(ADC)数据手册可能建议利用噪声为ADC 1/10左右的低噪声ADC驱动放大器来驱动模拟输入。但是,这并非总是最佳选择。在一个系统中,从系统角度权衡ADC驱动器噪声常常是值得的。

首先,如果系统中ADC驱动器之前的噪声源远大于ADC驱动器噪声,那么选择超低噪声ADC驱动器不会给系统带来任何好处。换言之,ADC驱动器应与系统其余部分相称。

其次,即使在只有一个ADC和一个驱动放大器的简单情况下,权衡噪声并确定其对系统的影响仍是有利的。通过具体数值可以更清楚地了解其中的理由。考虑一个系统采用16位ADC,其SNR值相当于100 μV rms噪声,用作ADC驱动器的放大器具有10 μV rms噪声。按和方根加总这些噪声源,得到总噪声为100.5 μV rms,非常接近ADC单独的噪声。可以考虑下面两个让放大器和ADC更为平衡的方案,以及它们对系统性能的影响。如果用类似的18位ADC代替16位ADC,前者的额定SNR相当于40 μV rms噪声,则总噪声变为41 μV rms。或者,如果保留16位ADC,但用更低功耗的放大器代替上述驱动器,该放大器贡献30 μV rms噪声,则总噪声变为104 μV rms。就系统性能而言,以上两种方案之一可能是比原始组合更好的选择。关键是要权衡利弊以及其对系统整体的影响。

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