Руководство по анализу шума с помощью LTspice
Рассмотрим, как моделировать шум с помощью LTspice, и как использовать этот замечательный инструмент, чтобы узнать больше о проектировании систем с низким уровнем шума.
Одна из замечательных возможностей LTspice – это возможность моделировать шум в схеме. В данной статье, помимо основ моделирования схем с помощью LTspice, рассматриваются основы выполнения анализа шума и отображения результатов этого анализа.
Предполагается, что вы уже знаете, как создать схему в LTspice и выполнить частотный анализ. Если вы мало знаете о теории шума, использование LTspice с методами, представленными здесь, может помочь вам изучить ее. Если вы знакомы с шумом, используйте эту статью, чтобы начать использовать эту часть LTspice. Здесь есть даже недокументированный бонусный совет.
Моделирование шума немного отличается от других моделирований, таких как частотный анализ. LTspice находит источники шума в отдельных компонентах вашей схемы; другими словами, эти источники шума не связаны с отдельными источниками сигналов, которые размещены на схеме. Анализ шума включает в себя отслеживание отдельных источников шума и того, как эти источники объединяются, чтобы создать полный выходной шум.
LTspice автоматически выполняет все расчеты – огромное преимущество перед ручным анализом. Но есть и ограничения, которые будут обсуждаться позже. Но давайте начнем с основ.
Ниже приведено несколько примеров моделирования шума в LTspice.
Моделирование 1: резистивный делитель напряжения
Начнем с делителя напряжения, используемого для установки опорного напряжения или смещения в цепи с одним напряжением питания. Резисторы создают «тепловой» шум, а величина шума зависит от значения сопротивления, ширины полосы частот и температуры (мы начинаем моделирование с температуры, заданной по умолчанию).
Как и в случае с частотным анализом, начинаем с окна «Edit Simulation Command» (редактировать команду моделирования), но выбираем вкладку «Noise» (шум). Затем заполняем параметры для построения команды.
- Output (выход): точка в вашей цепи, где все отдельные источники шума будут объединены в одно значение. В нашем случае это «REF».
- Input (вход): установите «вход» в качестве бесшумного источника в схеме. Мы используем источник питания, V1. LTspice вычисляет для введенного здесь источника «эквивалентный шумовой вход». Мы могли бы изучить эту функцию более подробно в следующей статье.
- Type of sweep (тип развертки): выберите такой же, как для частотного анализа. В данном случае используется декадный.
- Number of points per decade (количество точек на декаду): введите число, чтобы получить необходимое разрешение для построения графиков и анализа; здесь используется 100.
- Start Frequency (начальная частота) и Stop Frequency (конечная частота): эти параметры аналогичны соответствующим параметрам в частотном анализе; они указывают частотный диапазон анализа. Однако они также определяют полосу пропускания, которую следует использовать, когда LTspice рассчитывает полный шум на выходе. Подробнее об этом позже. Сейчас используйте 1 Гц и 100 кГц.
Нажмите «ОК» и поместите команду анализа шума на схему. Вы можете угадать следующий шаг. Запустите симуляцию!
Как и в частотном анализе, используйте курсор пробника и нажмите на узел REF. Обратите внимание, что LTspice меняет название выходного графика на «V(onoise)».
График показывает плоскую линию на уровне 9,1 нВ/Гц1/2. Это сумма всех отдельных источников шума, сложенных в среднеквадратическом порядке для создания шума на выходе. Вертикальная ось имеет единицы измерения нВ/Гц1/2. Это непонятная единица измерения, и ее объяснение выходит за рамки данной статьи. Просто знайте, что описанный таким образом источник шума означает, что шум изменяется в зависимости от частоты и интегрируется в частотном диапазоне с помощью квадратного корня из ширины полосы частот. Например, если источник шума составляет 13 нВ/Гц1/2 от 150 Гц до 250 Гц, полный шум в этом частотном диапазоне равен 13 нВ/Гц1/2, умноженным на квадратный корень из 100, т.е. 13 нВ/Гц1/2 × 10 Гц1/2 = 130 нВ (RMS).
Нажмите на элемент R1. Это добавит график шума на выходе, поступающего только от R1. Это плоская линия на уровне 6,4 нВ/Гц1/2.
Моделирование 2: добавление фильтра
Теперь добавим конденсатор для фильтрации шума от источника питания. Этот конденсатор также фильтрует шум от R1 и R2. Запустите ту же симуляцию снова. Шум на низких частотах не изменился, но на высоких частотах шум отфильтровывается. Резисторы и конденсатор образуют фильтр нижних частот.
Наведите курсор на С1. Пробника нет! Чистые конденсаторы считаются бесшумными, поэтому на графике строить нечего. Добавьте к конденсатору сопротивление (например, сопротивление утечки), и пробник появится, чтобы вы могли построить график шума от этого сопротивления.
Теперь у нас есть отличный инструмент для поиска компромиссов и более глубокого понимания шумовых характеристик схемы. Например, для уменьшения теплового шума от резисторов R1 и R2 их номиналы могут быть уменьшены, но при этом будет потребляться больше мощности, при этом необходимо увеличить C1, чтобы сохранить те же характеристики фильтра нижних частот.
Моделирование 3: добавление буферного усилителя
Еще один вариант схемы смещения заключается в буферизации резистивного делителя с помощью повторителя напряжения. Мы добавили операционный усилитель, выбранный для высокого выходного тока, широкой полосы частот и способности управлять довольно большой емкостной нагрузкой. Этот компонент находится в стандартной библиотеке LTspice «Opamps». Запустите ту же симуляцию, но измените результат симуляции на «BREF».
Ой! Низкочастотный шум увеличился из-за 1/f шума от операционного усилителя, а высокочастотный шум вернулся, потому что дополнительный шум операционного усилителя не был отфильтрован. Сразу видно, что шум от ОУ намного больше, чем шум от резистивного делителя, особенно на низких частотах.
Моделирование 4: температура
А как насчет температуры? Значение по умолчанию в LTspice составляет 27°C. Моделирование шума при различных температурах выполняется с помощью директив .STEP или .OPTIONS. Переменная "temp" встроена в LTspice.
На следующем графике показан шум в диапазоне температур от -25°C до 125°C с шагом 25°C, указанным в директиве .STEP. Одну температуру можно указать с помощью директивы .OPTIONS. Например, ".OPTIONS temp = 100".
Полный выходной шум
В какой-то момент вы захотите узнать полный шум как одно напряжение. LTspice вычисляет полный шум в полосе частот, сначала запуская моделирование в интересующей полосе частот. Например, устанавливаем полосу от 500 Гц до 1500 Гц. Затем выводим график выходного шума. Удерживая нажатой клавишу CTRL, щелкните левой кнопкой мыши на метке V(onoise) в верхней части графика. Появится небольшое окно со среднеквадратичным значением полного шума в пределах заданной полосы частот.
Некоторые ограничения
- При расчете полного шума используется идеальная прямоугольная полоса пропускания. Значение полного шума на выходе должно быть скорректировано для реальной формы полосы пропускания.
- Резисторы моделируются как идеальные источники теплового шума. Реальные резисторы могут вносить дополнительный шум, называемый «избыточным шумом».
- Моделирование шума операционного усилителя в области 1/f может быть неточным.
Недокументированный бонусный совет
LTspice при анализе позволяет игнорировать шум резистора. Например, большой резистор в цепи обратной связи операционного усилителя может доминировать в значении полного шума и затруднить анализ вклада операционного усилителя в полный шум.
Вы можете отключить шум резистора, добавив слово "noiseless" после значения резистора в схеме. Например, значение "10Meg" становится "10Meg noiseless". Добавьте на рисунке 4 "noiseless" к значениям R1 и R2, чтобы увидеть шум только от U1. Проектировать малошумящие схемы с LTspice легко – просто используйте "noiseless" для улучшения процесса проектирования!