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运放有哪些噪声源什么是噪声频率曲线什么是等效输入噪声噪声和带宽是什么关系什么是闪烁噪声、什么是白噪声
本文章带你一次看个够千字长篇分析仿真文件已经整理的明明白白先收藏后阅读。
我们先从电阻热噪声说起图1-1 是使用multisim做的理想电阻仿真结果理想电阻只有电阻值这个参数没有考虑电阻的噪声两个10kΩ的电阻对1V直流电压分压结果就是500mV。 图1-1 理想电阻仿真
图1-2 是仿真结果当电路开路时电阻两端也是没有电压的是0V。无论是万用表还是示波器的交流档交流测试结果都是0V。 图1-2 理想电阻仿真结果
下面我们加入电阻的热噪声看下结果电阻热噪声在库中的位置参考图1-3 。 图1-3加入电阻热噪声
图1-4 是加入电阻热噪声的仿真原理图电阻是10KΩ频带范围是100KHz此时电阻即使是开路状态也会在两端产生电压波动产生噪声用万用表交流档测量电阻两端电压有效值是4uV在以前的文章《电阻噪声哪里来》https://www.dianyuan.com/eestar/article-4761.html
中有过介绍电阻两端开路时热噪声计算公式如下 k是玻尔兹曼常数k1.38*10-23 J/KT是开尔文热力学温度R是电阻值B是系统等效噪声带宽。 举例
当温度是27℃300开尔文时10KΩ的电阻在带宽为100KHz放大电路中电阻两端的开路热噪声电压有效值是4uV。这个结果我们仿真的结果一致上面的公式也说明了电阻越大噪声越大这也就是我们基于运算放大器来设计电路时电阻不要太大基本以KΩ为单位如果电阻大那么电阻引入的噪声也就会大。 图1-4 电阻热噪声仿真结果 说完电阻我们在来说运算放大器图1-5 是AD8599的噪声参数主要有三种噪声0.1Hz-100Hz的峰峰值噪声、超过1KHz的电压噪声密度、电流噪声密度。我们这里以低频峰峰值噪声和电压噪声为主要介绍对象。 图1-5 运放噪声参数 图1-6 是运放的噪声曲线几乎每一个运放都会给出这样的曲线图第一行是时域的峰峰值噪声图主要以0.1Hz-10Hz为主加入了滤波功能只观察0.1Hz-10Hz这部分的噪声这一部分以闪烁噪声为主闪烁噪声随着频率的增加越来越小与频率成反比见图中的第二行图起始位置因此也被叫做1/f噪声。而随着频率的增加1/f噪声减小而白噪声的作用就变成主要噪声了。 图1-6 运放噪声曲线 图1-6 中的噪声曲线实际是1/f与白噪声的合成见图1-7 我们通过曲线可以计算1/f噪声与白噪声的大小来评估电路的噪声情况。 图1-7运放噪声曲线的合成 话不多说说多了太抽象枯燥无味我们直接用multisim来画出手册中的噪声曲线。仿真参数和电路见图1-8 一个简单的跟随器运放的输出等于输入仿真频率与手册中的曲线保持一致选择为1Hz-1000Hz。仿真文件获取方法公众号后台回复关键字运放噪声 图1-8运放噪声仿真 我们对比手册中的曲线和我们仿真的曲线见图1-9 这两条曲线虽然称不上“一毛一样”但是说它们“两毛一样”大家应该认同吧比如在1Hz时噪声密度是大约是5.9nV/√Hz在1KHz时噪声密度大约是1nV/√Hz仿真结果与手册是非常接近的。其中仿真结果其实是有两条曲线的一条是输入噪声曲线一条是输出噪声曲线由于仿真的是电压跟随器噪声增益同相比例放大倍数为1因此输入输出就一样了。 图1-9 运放噪声仿真结果1 我们把电路放大倍数设置为10倍仿真结果见图1-10 此时输入噪声和输出噪声就刚好相差10倍。 图1-10运放噪声仿真结果2 我们继续以10倍放大电路为研究对象这次咱们仿真下噪声有效值并且看下怎么通过电压曲线图来手动计算这个有效值仿真电路和参数设置见图1-11 。 图1-11运放噪声仿真结果3 仿真的结果我放到了图1-12 可以看到不管是噪声曲线还是噪声有效值仿真输出与出入都相差了10倍。计算噪声有效值我们需要分别结算白噪声有效值Uw和1/f噪声的有效值Uf然后再求二者的总噪声贡献。
我这里直接抛出公式 只需要3个公式就可以了其中Uw是白噪声有效值Un是1/f噪声有效值fb是上限频率仿真里和手册里都是1000Hzfa是下限频率仿真里和手册里都是1Hz。我们需要单独看下K和C是怎么来的。在图1-12 中我们看红色曲线输入噪声曲线取曲线的最终平稳位置的噪声密度值就是K图中大约是4.9 nV/√Hz根据公式2-1就可以计算出Uw大约是4.9*√(1000-1)154.87nV。 图1-12运放噪声仿真结果4 C是多少呢在图1-12 红色输入噪声曲线中取频率为1Hz时的噪声密度值就是C图中大约是31.32 nV/√Hz根据公式2-2就可以计算出Un大约是31.32* √ln(1000)82.32nV。
那么我们就得到Uw154.87nVUn82.32nV可见白噪声贡献大于1/f噪声根据公式2-3就可以得到总噪声了Usum√(284.46282.322)175.38nV。
我们计算的输入噪声有效值是175.38nV而仿真的结果是172.69nV仿真与计算基本是一致的。
同样的道理我们也可以通过手册的噪声频率曲线来计算放大倍数为1时的噪声有效值原理都是一样的当熟悉了计算过程后就直接用仿真来算了不用我们一步一步手算。
仿真文件获取方法公众号后台回复关键字运放噪声
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