模擬電路中噪聲的學習筆記(一)


    對於精度需求較高的模擬電路而言,噪聲分析是必不可少的,因此必須要清楚電路中產生噪聲的地方以及對電路的影響。本文主要參考拉扎維和Sansen的教材,加以總結。

  一、噪聲的表示

    由於噪聲是一種隨機信號,所以是不能夠用具體某個數去衡量的,我們一般用 “功率譜密度”(PSD)來描述噪聲的功率大小。 它表示把噪聲波形加到一個中心頻率為f,帶寬為1Hz的帶通濾波器並對其輸出取平方,在一個很長的時間內計算它的平均值得到,簡單的理解就是某個頻率下噪聲電壓的功率值。單位為V^2/Hz。

    擁有了噪聲功率譜密度,我們就能夠描述該噪聲對電路的影響了,下面給出計算噪聲對電路影響的定理

    定理:如果把噪聲譜為Sx(f)的一個信號加載一個傳輸函數為H(s)的線性時不變系統上,則輸出譜為:Sy(f)=Sx(f)|H(f)|^2,通過這個式子,就能夠計算出含有噪聲的傳輸函數了。

  二、電阻熱噪聲及其相關計算

    電路中最常見的噪聲就是電阻產生的熱噪聲了。由於它是電子隨機運動對導體兩端電壓影響產生的,所以熱噪聲譜與絕對溫度是成正比的。如圖所示(圖片來自於拉扎維:CMOS模擬集成電路設計),電阻產生的噪聲源可以等效成電路圖,即用一個噪聲電源來表示。

                            

    它的譜密度公式為 :

                                

    有了這個公式之后,我們就能夠計算簡單電路中的電阻熱噪聲,並得到比較重要的結論,計算如下圖中的電阻噪聲功率

                      

    首先如圖增加噪聲源,由於只有電阻產生的熱噪聲,故將電阻等效成噪聲電壓源和電阻的串聯,當然,對於某些電路,也可以等效成噪聲電流源和電阻的並聯,以減少計算量。

    傳輸函數有

                                    

    按照剛才的定理,計算總的系統譜密度

                                 

    最后對其積分,得到簡化的表達式

                               

                                    

    這樣就得到了一個比較重要的結論,噪聲的密度取決於電阻;積分噪聲取決於電容。低的噪聲需要小的電阻和大的電容!

 

 

 

 

 

 

 

  


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