使用 LTspice 進(jìn)行噪聲建模以及在 LTspice 中模擬噪聲源。本文介紹如何使用 LTspice 測(cè)量運(yùn)算放大器以及與雙 JFET 輸入級(jí)組合的運(yùn)算放大器的噪聲。測(cè)量的準(zhǔn)確度如何？它們有用嗎？為了找到答案，將結(jié)果與數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)格進(jìn)行比較。
　　有關(guān)運(yùn)算放大器噪聲以及噪聲源如何組合的精彩總結(jié)，請(qǐng)參閱Analog Devices 的本文和應(yīng)用說(shuō)明。 Analog Devices 的這段視頻很好地解釋了如何將 RMS 值轉(zhuǎn)換為峰峰值。
　　LTspice 噪聲仿真示例：低噪聲運(yùn)算放大器
　　第一個(gè)要測(cè)試的組件是低噪聲運(yùn)算放大器。該電路是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的同相放大器，其電阻與同相輸入串聯(lián)，用于測(cè)量偏置電流噪聲。
　　電源和輸入電阻的值已參數(shù)化，以便于在 .STEP 指令中更改和使用它們。稍后會(huì)詳細(xì)介紹這一點(diǎn)。為什么電阻值要加上“無(wú)噪音”？將這個(gè)未記錄的屬性添加到電阻器會(huì)告訴 LTspice 忽略該電阻器作為噪聲源。此功能非常有用，因?yàn)椴槐貜臏y(cè)量中減去電阻器產(chǎn)生的額外噪聲?？梢允褂媒M件屬性編輯器添加無(wú)噪聲屬性。按住控制鍵并右鍵單擊電阻體來(lái)啟動(dòng)此編輯器。添加“無(wú)噪音”一詞作為附加值。有了這個(gè)特性，唯一的噪聲源就是運(yùn)算放大器。完美的！
　　運(yùn)算放大器是 Analog Devices 的 ADA4627。選擇這一部分并沒(méi)有做太多工作?？焖贋g覽Analog Devices 的低噪聲運(yùn)算放大器選擇表后，ADA4627 引起了我的注意。它具有低噪聲并支持 ±5V 至 ±15V 的電源電壓。然后，檢查數(shù)據(jù)表后發(fā)現(xiàn)噪聲已得到明確說(shuō)明。未選擇它是因?yàn)閿?shù)據(jù)表規(guī)格與 LTspice 測(cè)試匹配或不匹配?！　∫韵率茿DA4627 數(shù)據(jù)表的噪聲部分。左欄適用于“B 級(jí)”部件，右欄適用于“A 級(jí)”部件。下表中使用了規(guī)格。

　　該表來(lái)自Analog Devices ADA4627 數(shù)據(jù)表　　以下是模擬中使用的 LTspice 指令。

　　測(cè)量條件通過(guò)左側(cè)的說(shuō)明進(jìn)行設(shè)置。 .PARAM 語(yǔ)句為原理圖中的變量提供值。這些是花括號(hào)中的變量名稱，例如 {RINP}。 .STEP 語(yǔ)句使用不同的變量值運(yùn)行多個(gè)模擬。例如，兩次運(yùn)行是使用不同的輸入電阻值完成的。輸入電壓噪聲測(cè)量值較小（步驟#1），輸入電流噪聲測(cè)量值較大（步驟#2）?！　y(cè)量值由右側(cè)的 .MEAS 語(yǔ)句指定。無(wú)需額外計(jì)算即可與數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較。我不會(huì)詳細(xì)介紹每個(gè) .MEAS 語(yǔ)句。不過(guò)，讓我們看一下 1kHz 時(shí)的輸入電壓噪聲。

　　.meas NOISE en1_1k_RMS FIND V(噪聲)@1 AT 1K
　　噪聲- 將測(cè)量應(yīng)用于噪聲模擬
　　en1_1k_RMS - 只是結(jié)果的名稱。在日志文件中使用。
　　FIND - 指定測(cè)量，在本例中只是獲取數(shù)據(jù)值
　　V(inoise)@1 - 測(cè)量中使用的數(shù)據(jù)集。詳細(xì)信息如下。
　　AT 1K - 選擇數(shù)據(jù)頻率
　　現(xiàn)在來(lái)說(shuō)說(shuō)魔法。單擊正在運(yùn)行的工程師。　　下圖顯示了兩步模擬的結(jié)果。綠色跡線是具有 1Ω 輸入電阻的步驟 #1。紫色跡線是具有 10MΩ 輸入電阻的步驟 #2。紅色跡線顯示了兩次運(yùn)行之間的差異。

　　“V（噪聲）”需要解釋一下。 “V(噪聲)”是返回到輸入的整個(gè)電路的輸出電壓噪聲。這是由 LTspice 針對(duì)每個(gè)噪聲模擬計(jì)算的。這將在下面進(jìn)一步解釋。請(qǐng)記住，噪聲源以 RMS 方式相加和相減。當(dāng)一個(gè)噪聲源變得比另一個(gè)噪聲源大時(shí)，它開(kāi)始完全占據(jù)主導(dǎo)地位。沒(méi)問(wèn)題！ LTspice 為我們處理計(jì)算！
　　通過(guò)在源后添加“@1”或“@2”來(lái)選擇特定.STEP 運(yùn)行的數(shù)據(jù)。例如，“@1”是使用小輸入電阻運(yùn)行?！　?MEAS 語(yǔ)句中的數(shù)據(jù)可在 Spice 錯(cuò)誤日志中找到。以下表格將數(shù)據(jù)表值與測(cè)量值進(jìn)行比較。

　　數(shù)據(jù)表給出了 0.1 至 10 Hz（ 1/f區(qū)域）噪聲的峰峰值，但 LTspice 計(jì)算 RMS。我使用因子 5 將 RMS 轉(zhuǎn)換為峰峰值。 A 級(jí)和 B 級(jí)的電壓噪聲相同。然而，當(dāng)前的噪音卻不同。 B級(jí)如表所示。
　　測(cè)量結(jié)果在“Spice Error Log”中。通過(guò)選擇繪圖窗口并選擇“查看”->“Spice 錯(cuò)誤日志”來(lái)打開(kāi)此文件。向下滾動(dòng)到 .MEAS 結(jié)果。這是上面解釋的電壓噪聲測(cè)量的條目。　　原理圖上的指令：

　　.meas NOISE en1_1K_RMS FIND V(噪聲)@1 AT 1K

　　相應(yīng)的 Spice 錯(cuò)誤日志條目：
　　測(cè)量：en1_1k_RMS
　　步驟 v(噪聲)@1 at
　　5.03632e-009 1000
　　5.03632e-009 1000
　　顯示每個(gè)步驟的測(cè)量結(jié)果。然而，在這些運(yùn)行中，步驟 #2 值被步驟 #1 值覆蓋，因?yàn)閿?shù)據(jù)是使用“@1”規(guī)范指定的。
　　.MEAS 指令中的“V(inoise)”源是什么？在 LTspice 幫助中，V(inoise) 是“輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏取钡挠?jì)算結(jié)果。該噪聲源是電路中所有噪聲源返回輸入的輸出噪聲。然而，由于所有電阻都是“無(wú)噪聲”的，因此噪聲只是運(yùn)算放大器的輸入噪聲。再次，完美！　　以下圖表解釋了“V（噪聲）”或“輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏取薄?V(噪聲)、V(單噪聲) 和增益顯示在單獨(dú)的窗口中。 V(噪聲) 和 V(單噪聲) 的測(cè)量光標(biāo)置于 1kHz。將輸出噪聲 V(onoise) 除以 V(噪聲) 得到電路增益 50。V(噪聲) 是運(yùn)算放大器的輸入噪聲，因?yàn)樗须娮杵鞫际恰盁o(wú)噪聲”的。

　　LTspice 噪聲仿真示例 2：低噪聲 JFET 運(yùn)算放大器　　下一個(gè)要測(cè)試的組件是超低噪聲雙 JFET。這是電路圖。

　　以下是使噪聲測(cè)量與運(yùn)算放大器電路的噪聲測(cè)量幾乎相同的關(guān)鍵點(diǎn)。

　　差分對(duì)的增益足夠大，使得運(yùn)算放大器的噪聲與放大的 JFET 噪聲相比非常小，可以忽略不計(jì)。
　　偏置 JFET (I1) 的電流源噪聲對(duì)于兩個(gè)運(yùn)算放大器輸入來(lái)說(shuō)是共同的，并且可以通過(guò)運(yùn)算放大器的共模抑制來(lái)消除。
　　LTspice 的“無(wú)噪聲”屬性消除了漏極電阻（RD1、RD2）產(chǎn)生的噪聲?！　‰p JFET 是Linear Integrated Systems的LSK489。選擇該器件是因?yàn)樗挥跇?biāo)準(zhǔn) LTspice 庫(kù)中，并且是一款噪聲極低的器件。未選擇它是因?yàn)閿?shù)據(jù)表規(guī)格與 LTspice 測(cè)試匹配或不匹配。這是完整的原理圖。

　　該電路改編自線性集成電路應(yīng)用筆記　　還有其他參數(shù)化部分。 R3 設(shè)置 JFET 的漏極電流，并與 R1 和 R2 一起設(shè)置漏極至源極電壓。該電路改編自線性集成系統(tǒng)公司的應(yīng)用筆記。我喜歡使用 LED 來(lái)設(shè)置 Q1 的工作點(diǎn)。這對(duì)我來(lái)說(shuō)是新的！

　　測(cè)量結(jié)果與運(yùn)算放大器模擬的測(cè)量結(jié)果非常相似。一個(gè)區(qū)別是該電路有兩個(gè) JFET，兩者都會(huì)產(chǎn)生輸入電壓噪聲。數(shù)據(jù)表給出了一個(gè) JFET 的噪聲。如果需要，將組合噪聲的測(cè)量結(jié)果乘以 1/√2，即可得到單個(gè)設(shè)備的噪聲。對(duì)于輸入電流噪聲的測(cè)量，無(wú)需進(jìn)行此調(diào)整，因?yàn)榇蟠?lián)電阻僅位于一個(gè)輸入上。數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)格假定漏源電壓為 15 VDC。然而，測(cè)試電路使用 9.5 VDC 來(lái)保持在運(yùn)算放大器的共模電壓范圍內(nèi)。以防萬(wàn)一，在一定范圍的漏源電壓上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明漏源電壓不會(huì)顯著影響噪聲。您能找到此測(cè)試的 .STEP 嗎？
　　再次，魔杖觸動(dòng)了運(yùn)行工程師。 LTspice 測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)表相比如何？
　　規(guī)格數(shù)據(jù)表值（典型值）LTspice 測(cè)量
　　噪聲電壓 (10 Hz)3.5nV/√Hz3.8nV/√Hz
　　噪聲電壓（1kHz）2.0nV/√Hz1.8nV/√Hz
　　電壓噪聲 0.1 至 10 Hz未指定0.12μV峰峰值
　　電流噪聲密度（100 Hz）未指定1.8fA/√Hz
　　電流噪聲 0.1 至 10 Hz未指定28 fA 頁(yè)
　　不錯(cuò)！顯示了數(shù)據(jù)表中未包含的其他測(cè)量結(jié)果，但可用于與運(yùn)算放大器電路進(jìn)行比較。
　　結(jié)論
　　LTspice 用于測(cè)量低噪聲運(yùn)算放大器以及在輸入中添加了低噪聲雙 JFET 的同一運(yùn)算放大器的電壓和電流噪聲。兩種器件的模擬值和數(shù)據(jù)表中的值非常一致。 .STEP 和 .MEAS 指令用于計(jì)算值以直接與數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較。