这里是以LTspice为例看下如何进行噪声仿真,以及相关要点。因为LTspice非常容易上手,最重要的,它是免费软件,所以用它进行电路仿真比较常见。
仿真电路参见图1。 噪声仿真之前,我们首先需要确认电路是否工作正常,因为如果哪根线没有连好,仿真软件是不会报错的,这样仿真出来的结果就都是错误的了! 那么噪声仿真之前如何确认电路是否工作正常呢?答案就是利用频域仿真,看结果是否符合预期。
其他项目仿真也是一样的,需要确定电路是否正常再进行。比如稳定性仿真之前,可以先进行直流仿真以确认各个节点直流电平正确后,再仿真稳定性。
图1 仿真电路举例
根据图1可得出电路的增益为11,1+Rf/Rg=1+10K/1K=11,大概是20dB(实测为20.08dB)。用LTspice频域仿真时,一定要注意Vin AC=1,否则直流增益是错误的。这是因为我们仿真得到的只是输出Vout,而不是增益(Gain=Vout/Vin),所以当Vin等于1时,Vout才是增益。仿真得到它的截止频率f-3dB大概是8MHz。参见图2和图3。
其实这里也是挺奇怪的。因为工业上一般认为±200mV以内算小信号,可以使用增益带宽积这些参数。1V输入算是大信号了,需要用压摆率才行。所以图4中的测试条件也是特别标注了输出范围在2Vp-p以内。不过我也看了ADI提供的LTspice运放仿真文件,里面AC仿真输入信号也是1V,所以这样频域仿真是没问题的。
图2 频域仿真确认电路是否搭建正确
图3 截止频率带宽大约8MHz
那么如何判定电路没有问题呢? 可以对照datasheet中的不同闭环增益与频率的曲线,参见图4。从图中可以看到,G=+10的时候,它的截止频率可以粗略看到是6MHz。我们的增益为11,截止频率大概为8MHz,相差是不多的。实际应该是增益越大带宽越小,但图4是对数图,目测误差会很大。所以可以认为电路没有问题,可以继续噪声仿真了。
可能有人会问,为什么不用增益带宽积确认呢? 因为使用增益带宽积算出的截止频率,与仿真得到的相差太大了,以至于我仿真时候怀疑自己弄错了,后来才发现图4这条曲线。实际上AD8065数据手册中并没有增益带宽积的参数,只给了G=+1的带宽,典型值为145MHz,如果把它当作增益带宽积使用,那么除以增益11后得到的带宽大概为11MHz,距离我们仿真得到的截止频率差了37%!ADI的一些运放貌似都未给出这一参数,也就是不能使用GBW,可能开环增益并不是经过主极点后呈20dB/dec滚降的,期间还存在其他零极点,斜率变化了,所以没有了增益带宽积参数。
图4 AD8065小信号在不同增益下的频域响应
好了,确认好电路工作正常之后,终于可以噪声仿真了。 仿真设置的参数参见图5,这里也有要说的。 第一,每十倍频程的数据点100就足够了,当然更多的点数精度更高,只是仿真速度会变慢;第二,起始频率设置到1Hz就够了,因为前面频域仿真得到了带宽大概8MHz,所以可以知道该电路主要的噪声源头不是1/f噪声,而是宽带噪声,所以仿真的开始频率1Hz就够了,对于结果没啥影响。对于带宽低的电路如20Hz,起始频率一般设置在0.1Hz;第三,截止频率一般要比电路截止频率的10倍,因为并没有理想滤波器,过了截止频率点后,信号就完全无法通过了,它会有一个滚降的过程。
图5 噪声仿真参数设置
图6 设置好噪声仿真参数后的仿真电路
仿真结果参见图7和图8。其中图9是很有用处的,我也是最近才发现软件有这个功能。通过它可以找到主要的噪声源头。比如用探头点到图6中的R2,就会出现电阻的噪声频率密度曲线,10K电阻的热噪声刚好就是大约40nV/sqrt(Hz),结果也是这样的。但是LTspice没有把运放自身贡献的噪声源显示出来的功能,这是比较遗憾的。
图7 输出噪声频率密度曲线
图8 得到总输出噪声的RMS值
图9 各个器件的噪声频率密度曲线
其实每次整理笔记都有一些收获,可以挖到一些自己一直自以为已经掌握了,实际却没有的小知识点。也挺开心的,这说明时间没有白费掉,因为对工作会有帮助。
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