如何用LTspice測(cè)量運(yùn)算放大器與雙JFET輸入級(jí)結(jié)合的噪聲？

LTspice噪聲仿真示例：低噪聲運(yùn)算放大器

第一個(gè)要測(cè)試的元件是低噪聲運(yùn)算放大器。該電路是標(biāo)準(zhǔn)的非反相放大器，其電阻與非反相輸入串聯(lián)，以測(cè)量偏置電流噪聲。

電源和輸入電阻的值已經(jīng)參數(shù)化，以便于更改和使用.STEP指令。為什么電阻值會(huì)增加無噪聲？將此未記錄的屬性添加到電阻器會(huì)使LTspice忽略電阻器作為噪聲源。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噪聲屬性。按住控制鍵并右鍵單擊電阻器主體，啟動(dòng)此編輯器。添加無噪音一詞作為附加值。使用此功能，唯一的噪聲源是運(yùn)算放大器。

運(yùn)算放大器是ADI公司的ADA4627。ADA4627引起了對(duì)ADI公司低噪聲運(yùn)算放大器選擇表快速掃描的注意。它具有低噪聲、支持±5V至±15V的電源電壓。然后，檢查數(shù)據(jù)表顯示噪聲已明確指定。它沒有被選中，因?yàn)閿?shù)據(jù)表規(guī)格與LTspice測(cè)試相符或不相符。以下是ADA4627數(shù)據(jù)表的噪聲部分。左欄是B級(jí)部件，右欄是A級(jí)部件。下面的比較表顯示規(guī)格。

該表來自ADI公司的ADA4627數(shù)據(jù)表

以下是模擬中使用的LTspice指令。

測(cè)量條件設(shè)置在左側(cè)的語句中。.PARAM語句為原理圖中的變量提供值。這些是大括號(hào)中的變量名，例如{RINP}。.STEP語句使用不同的變量值運(yùn)行多個(gè)模擬。例如，使用輸入電阻的不同值完成兩次運(yùn)行。輸入電壓噪聲測(cè)量值（步驟＃1）較小，輸入電流噪聲測(cè)量值較大（步驟＃2）。使用右側(cè)的.MEAS語句指定測(cè)量值。無需額外計(jì)算即可與數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較。讓我們看一下輸入電壓噪聲為1kHz。

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，用于日志文件；FIND ：指定測(cè)量，在這種情況下只是獲取數(shù)據(jù)值；V（inoise）@ 1：用于測(cè)量的數(shù)據(jù)集，詳情如下；AT 1K：選擇數(shù)據(jù)的頻率。

單擊正在運(yùn)行的工程。這是一個(gè)顯示兩步模擬結(jié)果的圖表。綠色跡線為步驟＃1，輸入電阻為1Ω。紫色跡線是步驟＃2，帶有10MΩ輸入電阻。紅色曲線顯示兩次運(yùn)行之間的差異。

V（inoise）需要解釋。V（inoise）是返回輸入的整個(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方式加減。當(dāng)一個(gè)噪聲源比另一個(gè)噪聲源大時(shí)，它開始完全占主導(dǎo)地位。通過在源之后添加“@ 1”或“@ 2”來選擇特定.STEP運(yùn)行的數(shù)據(jù)。例如，“@ 1”表示使用小輸入電阻運(yùn)行。來自.MEAS語句的數(shù)據(jù)可在Spice錯(cuò)誤日志中找到。下表是將數(shù)據(jù)表值與測(cè)量值進(jìn)行比較的表格。

數(shù)據(jù)表給出了0.1到10 Hz（1 /區(qū)域）噪聲的峰峰值，但LTspice計(jì)算RMS。應(yīng)用系數(shù)5將RMS轉(zhuǎn)換為峰峰值。A級(jí)和B級(jí)的電壓噪聲相同。但是，目前的噪音是不同的。B級(jí)顯示在表中。測(cè)量結(jié)果在Spice Error Log中。選擇繪圖窗口打開此文件，然后選擇View-> Spice Error Log。向下滾動(dòng)到.MEAS結(jié)果。以下是上述電壓噪聲測(cè)量的條目。原理圖指令：

相應(yīng)的Spice錯(cuò)誤日志條目：

顯示每個(gè)步驟的測(cè)量結(jié)果。但是，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。什么是.MEAS指令中的V（inoise）源？從LTspice幫助中，V（inoise）是輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏鹊挠?jì)算。此噪聲源是輸出噪聲，返回到電路中所有噪聲源的輸入。但是，由于所有電阻都是無噪聲，因此噪聲僅是運(yùn)算放大器的輸入噪聲。

以下是解釋V（inoise）或輸入?yún)⒖荚肼曤妷好芏鹊膱D表。V（inoise）、V（onoise）和增益顯示在單獨(dú)的窗口中。V（inoise）和V（onoise）的測(cè)量光標(biāo)位于1kHz。將輸出噪聲V（onoise）除以V（inoise）的電路增益為50. V（inoise）是運(yùn)算放大器的輸入噪聲，因?yàn)樗须娮瓒际菬o噪聲。

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)試的元件是一個(gè)非常低噪聲的雙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)兩個(gè)運(yùn)算放大器輸入都是通用的，并且通過運(yùn)算放大器的共模抑制消除；使用LTspice無噪聲屬性消除了漏極電阻（RD1、RD2）的噪聲。

雙JFET是Linear Integrated Systems的LSK489。選擇此部分是因?yàn)樗挥跇?biāo)準(zhǔn)LTspice庫中，并且是一種噪聲非常低的器件。因?yàn)閿?shù)據(jù)表規(guī)范與LTSPICE測(cè)試不匹配，所以沒有選擇它。

該電路采用 Linear Integrated Circuits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—源極電壓。該電路改編自Linear Integrated Systems 的應(yīng)用筆記。我喜歡使用LED來設(shè)置Q1的工作點(diǎn)。

測(cè)量結(jié)果與運(yùn)算放大器仿真非常相似。一個(gè)區(qū)別是電路有兩個(gè)JFET，都有助于輸入電壓噪聲。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)量值乘以1 /√2，以獲得單個(gè)器件的噪聲。這種調(diào)整對(duì)于測(cè)量輸入電流噪聲不是必需的，因?yàn)榇蟠?lián)電阻僅在一個(gè)輸入上。數(shù)據(jù)表中的噪聲規(guī)格假設(shè)漏極—源極電壓為15 VDC。但是，測(cè)試電路使用9.5 VDC保持在運(yùn)算放大器的共模電壓范圍內(nèi)。測(cè)試是在一系列漏源電壓下進(jìn)行的，結(jié)果表明漏源電壓不會(huì)顯著影響噪聲。你能發(fā)現(xiàn)這個(gè)測(cè)試的.STEP嗎？LTspice測(cè)量與數(shù)據(jù)表相比如何？

顯示的附加測(cè)量值不在數(shù)據(jù)表中，但可用于與運(yùn)算放大器電路進(jìn)行比較。

總結(jié)

LTspice用于測(cè)量低噪聲運(yùn)算放大器的電壓和電流噪聲，以及在輸入端添加低噪聲雙JFET的相同運(yùn)算放大器。模擬值與兩個(gè)器件的數(shù)據(jù)表中的值之間存在良好的一致性。.STEP和.MEAS指令用于計(jì)算與數(shù)據(jù)表直接比較的值。

提示

低噪聲運(yùn)算放大器數(shù)據(jù)表通常有一個(gè)數(shù)字，顯示0.1 Hz至10 Hz頻段內(nèi)10秒的示波器噪聲跡線。使用現(xiàn)成的工具，你可以將此跟蹤數(shù)字化并將其轉(zhuǎn)換為CSV文件。然后，CSV文件用于指定PWL電壓源。這些圖顯示了數(shù)據(jù)表圖和來自帶有PWL源的瞬態(tài)分析的相應(yīng)圖。

該圖來自ADI公司的ADA4627數(shù)據(jù)表