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噪声与低噪声设计的探讨(下篇)

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:465

这是分上下篇连载的下篇,介绍了几个基本概念,使你能开始考虑如何进行低噪声设计 

 要点   

● 噪声源是不相关的,并可作为和的平方根来求和,这种假设通常是可靠的。相关噪声源可直接相加,但远不如不相关噪声源常用。  

● 噪声带宽总是大于信号带宽。每当你在一个包括衰减的频谱内进行噪声测量和计算时,你必须考虑到这一差别。  

● 在对电路进行噪声分析时要小心谨慎。噪声源可能出现在稀奇古怪的地方,因此很容易把一个给定噪声源和输出端之间的增益搞错。

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噪声过程会产生非相干信号, 而且总的来说,是在很宽的频率范围内——从系统的频率上限直至接近于直流——产生非相干信号。本文的上篇介绍了器件级的噪声源,叙述了它们的产生机制以及频谱特性(参考文献 1)。但低噪声设计不仅要考虑器件问题,还要考虑电路布局的多个方面。简单的器件组合可展现实际电路中噪声项是如何组合的。   

设定界限   现以一只电阻器的热噪声电压 en 为例:

  这一公式是由公式

推导出来的。  

上述两个公式表明,任何非零电阻值产生的噪声电压幅度只受测量带宽的限制。换句话说,当测量带宽趋于无穷大时,一只电阻器的热噪声测量值也趋于无穷大。这种情况并不会在实际中出现,但其原因也许不是一看就明白的。

图1, 电阻器噪声模型包括寄生的并联电容。

  一个简单的电阻器模型说明了这一原因(图 1)。这一物理电阻器模型包括一个与其热噪声电压 er 串联的理想电阻值 r,和一个与r并联的寄生电容 c。电阻与其寄生电容的并联组合会限制噪声带宽。电阻增加一倍时,噪声密度会按2的平方根增加,但相同总噪声的噪声带宽则减半。这一观察结果的一个含意是:在没有另一带宽极限的情况下,电阻器模型中的并联电容将噪声极限设定为:

,  单位是伏特的均方(参考文献 2)。另一个含意是,在进行实际全带宽噪声测量时,由于信号带宽与噪声带宽的定义不同,必须考虑到设定测量带宽的滤波器边缘(附文《用变量代换方法得到结果》)。  

获取增益   

最常见的低噪声电路应用场合是模拟信号输入级。输入信号可以来自传感器、天线或其它低电平信号源,这些信号源需要较大增益才能进行下一步的处理或转换成数字信号。还有些信号源可以提供平均幅度相当大的信号,但却需要使用动态范围很大的处理电路。无论何种信号源,在给定温度下,信号源的阻抗都确定噪声的最小值——snr(信噪比)仅仅从这个值开始下降。信号源阻抗和应用电路的动态范围是选择输入级的背景条件,因为输入级通常决定系统的噪声性能。

图2, 广义的增益单元模型包括放大器的以输入端为基准的电压噪声源和电流噪声源,以及一个与信号源阻抗相应的噪声电压。

 现有考虑一个广义的增益单元,其输入阻抗为 zi,电压增益为 av(图 2)。噪声电压源 en 和噪声电流源 in 模拟以其输入节点为基准的放大器噪声。信号源有一个信号源阻抗 rs和噪声电压源 er,er代表信号源阻抗噪声和信号源送到放大器输入端的任何额外噪声。以输入端为基准的总噪声 eni 可以表示为各个输入噪声项平方和再开平方根:

 只要考虑到放大器的有限输入阻抗和电压增益的影响,就可以计算出以输出端为基准的总噪声。你总是想在设计初期计算出或至少估算出以输入端和输出端为基准的总噪声。这两个数值对评估不同的草图设计非常有用。以输入端为基准的噪声项,可以使你抛开已设定的输入阻抗或增益,对放大器进行比较。以输出端为基准的噪声项是该放大器送到下一级

这是分上下篇连载的下篇,介绍了几个基本概念,使你能开始考虑如何进行低噪声设计 

 要点   

● 噪声源是不相关的,并可作为和的平方根来求和,这种假设通常是可靠的。相关噪声源可直接相加,但远不如不相关噪声源常用。  

● 噪声带宽总是大于信号带宽。每当你在一个包括衰减的频谱内进行噪声测量和计算时,你必须考虑到这一差别。  

● 在对电路进行噪声分析时要小心谨慎。噪声源可能出现在稀奇古怪的地方,因此很容易把一个给定噪声源和输出端之间的增益搞错。

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噪声过程会产生非相干信号, 而且总的来说,是在很宽的频率范围内——从系统的频率上限直至接近于直流——产生非相干信号。本文的上篇介绍了器件级的噪声源,叙述了它们的产生机制以及频谱特性(参考文献 1)。但低噪声设计不仅要考虑器件问题,还要考虑电路布局的多个方面。简单的器件组合可展现实际电路中噪声项是如何组合的。   

设定界限   现以一只电阻器的热噪声电压 en 为例:

  这一公式是由公式

推导出来的。  

上述两个公式表明,任何非零电阻值产生的噪声电压幅度只受测量带宽的限制。换句话说,当测量带宽趋于无穷大时,一只电阻器的热噪声测量值也趋于无穷大。这种情况并不会在实际中出现,但其原因也许不是一看就明白的。

图1, 电阻器噪声模型包括寄生的并联电容。

  一个简单的电阻器模型说明了这一原因(图 1)。这一物理电阻器模型包括一个与其热噪声电压 er 串联的理想电阻值 r,和一个与r并联的寄生电容 c。电阻与其寄生电容的并联组合会限制噪声带宽。电阻增加一倍时,噪声密度会按2的平方根增加,但相同总噪声的噪声带宽则减半。这一观察结果的一个含意是:在没有另一带宽极限的情况下,电阻器模型中的并联电容将噪声极限设定为:

,  单位是伏特的均方(参考文献 2)。另一个含意是,在进行实际全带宽噪声测量时,由于信号带宽与噪声带宽的定义不同,必须考虑到设定测量带宽的滤波器边缘(附文《用变量代换方法得到结果》)。  

获取增益   

最常见的低噪声电路应用场合是模拟信号输入级。输入信号可以来自传感器、天线或其它低电平信号源,这些信号源需要较大增益才能进行下一步的处理或转换成数字信号。还有些信号源可以提供平均幅度相当大的信号,但却需要使用动态范围很大的处理电路。无论何种信号源,在给定温度下,信号源的阻抗都确定噪声的最小值——snr(信噪比)仅仅从这个值开始下降。信号源阻抗和应用电路的动态范围是选择输入级的背景条件,因为输入级通常决定系统的噪声性能。

图2, 广义的增益单元模型包括放大器的以输入端为基准的电压噪声源和电流噪声源,以及一个与信号源阻抗相应的噪声电压。

 现有考虑一个广义的增益单元,其输入阻抗为 zi,电压增益为 av(图 2)。噪声电压源 en 和噪声电流源 in 模拟以其输入节点为基准的放大器噪声。信号源有一个信号源阻抗 rs和噪声电压源 er,er代表信号源阻抗噪声和信号源送到放大器输入端的任何额外噪声。以输入端为基准的总噪声 eni 可以表示为各个输入噪声项平方和再开平方根:

 只要考虑到放大器的有限输入阻抗和电压增益的影响,就可以计算出以输出端为基准的总噪声。你总是想在设计初期计算出或至少估算出以输入端和输出端为基准的总噪声。这两个数值对评估不同的草图设计非常有用。以输入端为基准的噪声项,可以使你抛开已设定的输入阻抗或增益,对放大器进行比较。以输出端为基准的噪声项是该放大器送到下一级

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