摘要

　　本文探讨了一种可用于识别和优化噪声敏感应用中器件/元件选择的仿真方法。我们将首先指出LTspice 仿真的一个特性，该特性允许对标准组件进行此操作，然后介绍一种方法，该方法允许在信号路径中使用的运算放大器(运放)具有相同的功能。由于低噪声通常与高功耗和高成本相关，因此该工具允许用户选择满足设计要求的最低功耗和最具成本效益的解决方案。

　　设计包含传感器(小信号)、放大器、滤波和数据采集(ADC)的信号路径的挑战之一是确定信号在数字化或以其他方式处理之前所经过的各种组件和块的噪声贡献。如果设计正确，并且大部分增益都在前端获得，则任务会更简单，因为选择最低噪声的前端可确保最高的信噪比，并将其余电路的影响降至最低。

　　但是，如果不能做出如此明确的区分，或者应用程序需要最低水平的噪声和信号完整性，而噪声必须完全优化，该怎么办?

　　标准元件噪声分析

　　工程师们已经有效地使用LTspice进行噪声影响研究和优化，因为LTspice允许您在模拟中单击特定器件(即电阻和晶体管)，并立即在噪声分析中以噪声密度图的形式查看其输出噪声贡献。

　　图1显示了一个模拟示例，其中输出噪声和其他电阻噪声贡献并排绘制，以便轻松地看到与净输出噪声相比，每种噪声的相对重要性。此外，可以整合任何这些噪声密度图，以查看其在整个频率范围内的影响，如图所示，R3在100 nV/√Hz平坦带时电阻贡献最大。

　　LTspice是一个非常强大的仿真工具，涵盖电阻器和晶体管，以及建模和跟踪它们的噪声贡献。但是，您可能需要考虑其他组件/构建块的替代解决方案。对于运算放大器等带有加密宏模型的设备来说，情况就是这样，这些宏模型可能分散在整个电路和仿真文件中。

　　图1 通用运放版本。

　　为了充分说明这里的含义以及如何对运放进行噪声分析，有必要首先介绍如何在LTspice中添加理想运放。图2显示了UniversalOpAmp。asc文件内置于LTspice教育库。它显示了一个简化的运放模型，具有五个级别的复杂性，包括最简单到最复杂的版本，所有输出同时绘制。这是一个有用的宏模型，可以复制到任何设计中，并且可以很容易地操纵/编辑以找到每个参数的影响。

　　将分析扩展到运算放大器

　　当涉及到确定设备的预期噪声影响时，UniversalOpAmp可以成为模拟中的强大工具。通过使用LTspice元件，可以很容易地改变其电压噪声、电流噪声和每个噪声源的角频率，以查看所产生的输出/输入噪声。有了这些信息，人们就可以通过了解设计的确切噪声容限来智能地为工作选择正确的设备。

　　图3显示了这种方法，其中图1的电路被修改为使用UniversalOpAmp。将噪声电流In设为可变参数，将0.1 nV/√Hz的电压噪声项En值设为不显著，则“步进参数”功能，通过仿真可以很容易地看到电流噪声变化的结果。在本例中，参数取值为0.1 pA/√Hz、1pa /√Hz、2pa /√Hz、5pa /√Hz、10pa /√Hz。

　　请记住，这种技术是运算放大器噪声特性的一阶近似。通常在FET输入运算放大器中发现的随频率上升的噪声等行为不包括在通用模型中，一旦对实际器件进行模拟或台架测试，必须单独考虑。有关FET噪声电流行为的更多信息，请参阅“FET输入放大器中的电流噪声”。

　　值得注意的是，在许多应用中，例如通阻放大器(tia)，其噪声性能通常非常重要，放大器噪声与外部元件(例如，光电二极管或雪崩光电二极管(APD)的输入电容)之间存在很强的相互作用，因此只有包括并考虑这些外部元件，任何此类评估才准确。否则，模拟的性能将与实测结果相去甚远!

　　然后可以将下表1的模拟结果汇总在一起，并将每种情况与放大器添加的最主要热噪声(R3在100 nV/√Hz)进行比较。下面是0.1 pA/√Hz(案例1)的样本加噪计算，供参考:　

　　图2 通用运放版本。

　　图3 具有阶跃噪声电流的通用opamp(绘制了前三个值)。表1 噪声电流变化摘要箱号输入电流(pA/√Hz)输出噪声(nV/√Hz)附加噪音(分贝)

　　类似的模拟可以在电压噪声(同时将电流噪声设置为低至不显著)变化的情况下进行，并类似地制成表格，如表2所示:

　　表2 噪声电压变化汇总箱号输入电压(nV/√Hz)输出噪声(nV/√Hz)附加噪音(分贝)

　　查看表1和表2，可以得出结论，例如，要使附加噪声小于或等于3 dB，则需要输入电流噪声为1 pA/√Hz，输入电压噪声为1 pA/√Hz。7 nV /√赫兹。像AD8055这样具有1 pA/√Hz和6 nV/√Hz噪声的器件符合要求，并且在模拟时，其宽带噪声为144 nV/√Hz，接近表1和表2的预测噪声。

　　总结

　　探索了LTspice内置的工具/功能UniversalOpAmp。该工具允许电路设计人员改变应用中使用的预期有源放大器的电压和电流噪声，以预测由此产生的附加噪声。有了这些信息，当与设计中的其他主要噪声源进行比较时，就可以选择最合适的放大器，以最佳功耗和成本达到预期的噪声要求。