《半导体集成电路设计与应用》课件-LTspice教学

Ltspice教学

---噪声分析

12噪声分析声音（sound）是由物体振动产生声波，通过介质（空气或固体、液体）传播，并能被人或动物的听觉器官所感知的波动现象。最初发出振动的物体叫声源。声音以波的形式振动传播，所以声音是一种波。更准确的说，在流体中传播的声波是一种小扰动波，其引起压力的微弱扰动以纵波的形式传播，而声波的传播过程表现为流体一系列的局部微弱压缩和膨胀行为3电路噪声分析对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，它是对目的信号以外的所有信号的一个总称。最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声的那些电子信号，称为噪声。但是，一些非目的的电子信号对电子线路造成的后果并非都和声音有关，因而，后来人们逐步扩大了噪声概念。1、电磁辐射2、耦合噪声3、电源上存在的噪声1、热噪声(Johnson)2、闪烁噪声(低频)3、射击噪声(肖特基)4、爆玉米噪(popcornfrequency)LTspice的噪声分析电路5LTspice的噪声分析设置6.noise命令之噪声频率特性分析LTspice中的.noiseanalysis是仿真模拟电路“噪声频率特性”的命令。该分析是在频域中完成的，绘制的图形是每单位带宽(1Hz)的噪声电压密度，通常单位为[nV/(根号Hz)]。71.1Output输出噪声的节点名称。以GND为基准观察OUT节点的噪声时，记为V(OUT)，观察两个节点(例如N1和N2)之间的噪声时，记为V(N1，N2)。此处输入的内容会自动反映在语法的V(<out>[,<ref>])部分中。1.2Input输入噪声源的名称。此处输入的内容会自动反映在语法的<src>部分中。<src>是无噪声输入信号。8除了通过EditSimulationCmd窗口设置.noise命令之外，还可以直接编写SPICE指令实现。9仿真实例（运放噪声电压密度）噪声电压密度是运算放大器数据表中描述的一个特性。现以LT6230运算放大器为例分析其噪声电压密度，如图3所示。设置的“.noiseanalysis”的命令是：.noiseV(OUT)VINdec100010100k10理论结果与仿真结果分析11实操电路图要求：1、不同温度下的噪声(温度扫描)2、不同放大倍数带来的噪声影响

（计算放大倍数、检测噪声）3、撰写课堂实训报告12放大器电路噪声峰峰值的评估要点与实例1314放大器电路噪声峰峰值的评估要点与实例15图2.74电压噪声与高斯分布16所以，部分工程师常常使用6倍RMS值(+3σ-(-3σ))来评估噪声的峰峰值。其实6倍的系数并非唯一标准，如表2.5提供常用噪声RMS值与峰峰值转化系数，方便工程师使用(注：换算的前提是RMS值等于标准差，即没有直流成分)。表2.5均方根值与峰峰值换算系数及概率2.电路带宽与截止频率之间差异对噪声RMS的影响

如图2.76，电路的信号带宽为f，理想砖墙滤波器的带宽为fn,超出fn频率的信号全部被衰减超过80dB。17实际一阶滤波器在阻带内的衰减十分缓慢，截至频率fH1是信号带宽的1.57倍。随着滤波器阶数增加，阻带内的衰减能力增强。三阶滤波器的截至频率fH3是信号带宽的1.16倍。因此，应以电路中滤波器的截止频率作为计算噪声RMS值的上限频率。如表2.7，提供常用滤波器阶数与噪声带宽比。表2.7滤波器阶数与噪声带宽比

18电路噪声评估案例曾接触一位工程师提出一项十分苛刻的测试需求，需要实现幅值为0.25μV的直流电压信号检测，工程师希望提供信号处理的方案进行评估。由于被测信号的幅值极小，容易淹没在噪声中。放大器电路不仅需要抑制外部噪声，同时自身的噪声也要很低。所以推荐使用LT1028，如图2.86，LT1028在10Hz的电压噪声密度典型值为1nV√Hz,在1KHz的电压噪声密度典型值为0.9nV√Hz。19前端信号处理电路如图2.87，使用LT1028组建仪表放大电路，降低电路中共模噪声的影响，输出使用一阶RC低通滤波器，信号带宽设置在10Hz左右，滤波器的截止频率为15.7Hz左右。

20使用LTspice在0.1Hz至1kHz频率范围内仿真结果如图2.88,仿真上限频率为1KHz，远远超过滤波器截止频率15.7Hz的条件下，电路输出总噪声RMS值为158nV。电路噪声增益为10倍，折算到输入端的噪声RMS值为15.8nV图2.880.1Hz至1KHzLT1028组建仪表放大电路噪声仿真结果运放输出电压自动偏置电路2122电路图这个信号放大电路使用了轨到轨的运放，工作电压为5V。不考虑下面这个运放，上面运放就是一个同相放大器。它的输入信号偏置电压可以通过外部端口进行设置。 如果希望它的输出电压的零点能够维持在2.5V，这样输出交流信号具有最大的变化幅值。 利用下面这部分完成对上面电路零点的反馈23在LTspice中搭建了该电路， 为了自动保持U1输出信号直流电压为2.5V。 将输出信号通过低通滤波，获得其中的直流电压值。 加入U2的正向输入，如果比R5,R6分压所得到的2.5V高， 则会通过R4给U1反向输入灌入电流， 这部分反馈电流就会使得输出降低。所以整体上是一个负反馈。 但是仿真的结果显示，该电路还是出现了振荡。 这个现象与昨天实际电路测量的结果是相同的。24输出结果从电路设计来讲，为了抑制这种震荡， 在零点伺服电路增加C4，它对于U2来说是一个低通特性， 能够降低零点反馈电路的增益。 这样便可以消除前面的振荡。 修改LTspice仿真电路。 增加的C3局部负反馈电容。 可以看到输出结果趋于稳定了。 这个仿真结果验证了前面的结论25修改后的电路