Использование LTspice для измерения шума усилителя

Рассмотрим на примерах, как, используя LTspice, измерить шум в схемах на операционных усилителях.

В предыдущих статьях мы представили моделирование шума с помощью LTspice и моделирование источников шума в LTspice. В данной статье показано, как использовать LTspice для измерения шума схемы на операционном усилителе и схемы на операционном усилителе с дополнительным входным каскадом на двух полевых транзисторах. Насколько точны измерения? Они полезны? Чтобы выяснить это, сравним результаты со спецификациями шума в технических описаниях.

Пример моделирования шума LTspice: операционный усилитель с низким уровнем шума

Первый подопытный компонент – это малошумящий операционный усилитель. Схема представляет собой стандартный неинвертирующий усилитель с последовательным резистором на неинвертирующем входе для измерения шума тока смещения.

Значения для источников питания и входного резистора были параметризированы, чтобы их было легко изменять и использовать в директивах .STEP. Подробнее об этом позже. Почему к значениям резисторов добавлено слово «noiseless» (бесшумный)? Добавление этого недокументированного атрибута к резистору заставляет LTspice игнорировать резистор как источник шума. Эта функция очень полезна, потому что дополнительный шум от резисторов не нужно будет вычитать из результатов измерения. Атрибут noiseless можно добавить с помощью редактора атрибутов компонента (Component Attribute Editor). Запустите этот редактор, удерживая нажатой клавишу Ctrl и щелкнув правой кнопкой мыши на условном обозначении резистора. Добавьте слово noiseless в качестве дополнительного значения. С этой функцией единственным источником шума в схеме является операционный усилитель. Отлично!

Операционный усилитель – это ADA4627 от Analog Devices. На выбор этого компонента ушло не очень много времени. ADA4627 привлек мое внимание после быстрого просмотра таблицы подбора операционного усилителя с низким уровнем шума от Analog Devices. Он имеет низкий уровень шума и поддерживает напряжение питания от ±5 В до ±15 В. Затем проверка технического описания показала, что шум указан правильно. Он не выбирался по тому, совпадают или нет характеристики из технического описания с результатами тестирования в LTspice.

Вот раздел шума технического описания ADA4627. Левый столбец соответствует деталям «класса B», а правый – деталям «класса A». Эти спецификации используются в сравнительной таблице ниже.

Ниже показаны директивы LTspice, используемые для моделирования.

Условия измерения задаются с помощью операторов слева. Операторы .PARAM предоставляют значения для переменных в схеме (это имена переменных в фигурных скобках на схеме, например, {RINP}). Операторы .STEP запускают несколько симуляций с разными значениями переменных. Например, два запуска выполняются с разными значениями входного резистора. Сначала с небольшим сопротивлением для измерения шума входного напряжения (шаг № 1), а затем с большим сопротивлением для измерения шума входного тока (шаг № 2).

Измерения указаны с помощью операторов .MEAS с правой стороны. Для сравнения с техническим описанием никаких дополнительных расчетов не требуется. Я не буду вдаваться в детали каждого оператора .MEAS. Тем не менее, давайте рассмотрим один из них, необходимый для получения шума входного напряжения на 1 кГц.

.meas NOISE en1_1k_RMS FIND V(inoise)@1 AT 1K

• NOISE – применить измерение к моделированию шума.
• en1_1k_RMS – просто имя для результата. Используется в log-файле.
• FIND – определяет измерение, которое в этом случае просто получает значение данных.
• V(inoise)@1 – набор данных для использования в измерении. Подробности ниже.
• AT 1K – выбирает частоту данных

Теперь настало время магии. Нажмите на кнопку с бегущим инженером.

Ниже приведен график, показывающий результаты двухэтапного моделирования. Зеленая кривая – шаг № 1 с входным резистором 1 Ом. Фиолетовый график – шаг № 2 с входным резистором 10 МОм. Красный график показывает разницу между двумя запусками моделирования.

"V(inoise)" нуждается в пояснении. "V(inoise)" – это напряжение выходного шума всей схемы, приведенное к входу. Оно рассчитывается LTspice для каждого моделирования шума. Это объясняется ниже. Помните, что источники шума складываются и вычитаются в виде среднеквадратичных значений (RMS). Когда один источник шума становится больше другого, он начинает полностью доминировать. Нет проблем! LTspice позаботится о расчете за нас!

Данные для конкретного прогона .STEP выбираются путем добавления "@1" или "@2" после источника. Например, "@1" – это прогон с небольшим входным резистором.

Данные из операторов .MEAS находятся в журнале ошибок Spice (Spice Error Log). Ниже показана таблица, сравнивающая значения из технического описания с измеренными значениями. Неплохо!

Техническое описание предоставляет пиковые значения для шума от 0,1 до 10 Гц (область 1/f-шума), но LTspice рассчитывает среднеквадратичное значение. Чтобы преобразовать среднеквадратичное значение в размах, я применил коэффициент 5. Напряжение шума одинаково для классов А и В. Однако токовый шум отличается. В таблице показаны значения для класса B.

Результаты измерений находятся в журнале ошибок SPICE (Spice Error Log). Откройте этот файл, выбрав окно графика и выбрав меню View → Spice Error Log. Прокрутите вниз до результатов .MEAS. Ниже показана запись для измерения шума напряжения, объясненного выше.

Директива на схеме:

meas NOISE en1_1K_RMS FIND V(inoise)@1 AT 1K

Соответствующая запись в журнале ошибок SPICE:

Measurement: en1_1k_RMS
             step v(inoise)@1    at
             5.03632e-009    1000
             5.03632e-009    1000

Результаты измерений показаны для каждого шага. Однако в этих прогонах значение шага № 2 перезаписывается значением шага № 1, поскольку данные указываются со спецификацией "@1".

Что такое источник "V(inoise)" в директивах .MEAS? Из справки LTspice V(inoise) – это расчет «плотности шумового напряжения, приведенного к входу». Этот источник шума является выходным шумом, приведенным к входу для ВСЕХ источников шума в цепи. Однако, поскольку все резисторы являются «бесшумными», этот шум является входным шумом только для операционного усилителя. Снова всё отлично!

Ниже приведены графики, поясняющие "V(inoise)" или «плотность напряжения шума, приведенного к входу». V(inoise), V(onoise) и коэффициент усиления выведены на отдельных графиках. Курсоры измерения для V(inoise) и V(onoise) расположены на частоте 1 кГц. Разделив выходной шум V(onoise) на V(inoise), вы получите коэффициент усиления 50. Поскольку все резисторы «бесшумны», V(inoise) – это входной шум от операционного усилителя.

Пример 2 моделирования шума LTspice: операционный усилитель с низким уровнем шума с входным каскадом на полевых транзисторах

Следующим подопытным компонентом будет двойной полевой транзистор с очень низким уровнем шума. Ниже показана тестовая схема.

Ниже перечислены ключевые моменты, которые делают измерение шума почти таким же, как и в схеме на операционном усилителе.

1. Усиление дифференциальной пары достаточно велико, поэтому шум операционного усилителя по сравнению с усиленным шумом полевых транзисторов очень мал и может быть проигнорирован.
2. Шум источника тока, смещающего полевые транзисторы (I1), является общим для обоих входов операционного усилителя и устраняется подавлением синфазного сигнала в операционном усилителе.
3. Шум от резисторов стока (RD1, RD2) устраняется с помощью атрибута LTspice "noiseless".

Двойной полевой транзистор – это LSK489 от Linear Integrated Systems. Этот компонент был выбран потому, что он есть в стандартной библиотеке LTspice и является устройством с очень низким уровнем шума. Он не выбирался по тому, совпадают или нет характеристики из технического описания с результатами тестирования в LTspice. Ниже показана полная схема.

Здесь были добавлены дополнительные параметризуемые компоненты. R3 устанавливает ток стока полевых транзисторов и вместе с R1 и R2 устанавливает напряжение сток-исток.

Измерения очень похожи на измерения в предыдущем моделировании схемы на операционном усилителе. Отличие заключается в том, что в схеме имеется два полевых транзистора, и оба вносят вклад в шум во входном напряжении. Техническое описание предоставляет значение шума для одного полевого транзистора. При необходимости, чтобы получить шум одного транзистора, измерение общего шума всего компонента умножается на 1/√2. Эта корректировка не требуется для измерения шума входного тока, поскольку резистор стоит последовательно только на одном входе. Спецификации по шуму в техническом описании предполагают напряжение источника питания 15 В. Тем не менее, чтобы оставаться в пределах синфазного напряжения операционного усилителя, тестовая схема использует напряжение питания 9,5 В. На всякий случай, тестирование проводилось при разных напряжениях сток-исток, и результаты показали, что напряжение сток-исток не оказывает существенного влияния на шум. Можете ли вы определить .STEP для этого теста?

Снова нажимаем кнопку с бегущим инженером. Как результаты измерения LTspice соотносятся с техническим описанием?

Неплохо! Также в таблице показаны дополнительные измерения, которых нет в техническом описании, но которые полезны для сравнения со схемой только на операционном усилителе.

Заключение

В статье LTspice использовался для измерения шума напряжения и тока для малошумящего операционного усилителя и того же операционного усилителя с малошумящим двойным полевым транзистором на входе. Наблюдается хорошее соответствие между результатами моделирования и значениями в технических описаниях обоих устройств. Для вычисления значений для сравнения с техническими описаниями были использованы директивы .STEP и .MEAS.

Бонусный совет

Технические описания на малошумящие операционные усилители часто содержат рисунки, показывающие 10-секундные осциллограммы шума в диапазоне от 0,1 Гц до 10 Гц. Используя доступные инструменты, вы можете оцифровать эту осциллограмму и превратить ее в файл CSV. Затем этот файл CSV используется для настройки PWL (кусочно-линейного) источника напряжения. На рисунках ниже показан график из технического описания и соответствующий график из анализа переходных процессов с PWL источником. Сайт, который я использовал для преобразования графика – это WebPlotDigitizer (он бесплатный). Обязательно используйте опцию изменения порядка записей файле.

Статьи по теме

• Основы моделирования схем в LTSpice
• Руководство по LTSpice (средний уровень)
• Руководство по анализу шума с помощью LTspice
• Как выполнить анализ переходных процессов и моделирование источника шума с помощью LTspice
• Что такое электрический шум, и откуда он появляется?

Теги