【汇总】关于模拟电路设计中噪声分析的11个误区

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2018-10-09

噪声是模拟的一个核心问题,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3dB。

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1/5erms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。

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ADC1/10的ADC驱动器模数转换器(ADC)数据手册可能建议利用噪声为ADC1/10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100μVrms噪声,用作ADC驱动器的放大器具有10μVrms噪声。 按和方根加总这些噪声源,得到总噪声为100.5μVrms,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40μVrms噪声,则总噪声变为41μVrms。

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30μVrms噪声,则总噪声变为104μVrms。 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。