如何使用LTspice進(jìn)行瞬態(tài)分析和噪聲源仿真？

讓我們討論如何使用噪聲分析在頻域中構(gòu)建噪聲源，并使用瞬態(tài)分析在時(shí)域中構(gòu)建噪聲源。我們將通過(guò)仿真LTspice中的電路噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。本文假設(shè)您對(duì)“仿真 - >編輯仿真命令”菜單中的瞬態(tài)和噪聲分析選項(xiàng)有一定的經(jīng)驗(yàn)，并且對(duì)電阻等電路元件的噪聲有一定的了解。

仿真1：頻域噪聲分析源

在噪聲分析中，LTspice使用它在電阻器、晶體管和運(yùn)算放大器等電路元件中找到所有噪聲源。這對(duì)于許多分析任務(wù)來(lái)說(shuō)已足夠，但有時(shí)使用一個(gè)獨(dú)立噪聲源是有用的。例如，噪聲源可以是傳感器的一部分。沒(méi)有可用于噪聲分析的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。我們從一個(gè)新的特殊數(shù)字開(kāi)始：60.328×10 18。別擔(dān)心，它不會(huì)在測(cè)試中。LTspice認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生1.000001 V/Hz1/2熱噪聲的電阻值。如果在電阻器的熱噪聲計(jì)算中使用了大量有效數(shù)字，即，則可以得到相同的數(shù)√4kBTR。這里描述源的關(guān)鍵是使用電阻器作為白噪聲發(fā)生器。

電阻產(chǎn)生的電壓噪聲是電壓相關(guān)電壓源的輸入。這部分是LTspice組件庫(kù)中的“e”。這里的“e”源使用值1來(lái)產(chǎn)生輸出為1 V / Hz 1/2的源。將值更改為0.001會(huì)產(chǎn)生1mV/Hz1/2，依此類(lèi)推。具有相同值的另一個(gè)電阻器被施加到電壓相關(guān)電流源的輸入端（庫(kù)中的“g”）以產(chǎn)生電流噪聲。

LTspice中的“無(wú)噪聲”功能

R102是用來(lái)將電流噪聲轉(zhuǎn)換成電壓進(jìn)行繪圖的。使用實(shí)際負(fù)載時(shí)應(yīng)將其移除。R102被分配了未記錄的器件屬性“無(wú)噪聲”，它告訴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。

通過(guò)按住控制鍵并右鍵單擊電阻器，使用組件屬性編輯器添加無(wú)噪聲屬性。添加“無(wú)噪聲”一詞作為附加值。雙擊可見(jiàn)字段，使其在原理圖上顯示為附加值。將當(dāng)前輸出稱(chēng)為“cnoise”而不是“inoise”，以避免與LTspice用作特殊標(biāo)簽的“inoise”混淆。V100和V101是噪聲仿真所需的輸入源。

仿真2：在時(shí)域中使用隨機(jī)函數(shù)

現(xiàn)在轉(zhuǎn)到時(shí)域和瞬態(tài)分析。在時(shí)域中需要產(chǎn)生稱(chēng)為噪聲的“模糊”波形。這里顯示的信號(hào)源產(chǎn)生近似的“白色”噪聲。我們將對(duì)LTspice中的偽隨機(jī)函數(shù)進(jìn)行深入研究并詳細(xì)探討它們。

LTSPICE內(nèi)置任意行為電壓或電流源。它們被稱(chēng)為“B”函數(shù)，我們將使用庫(kù)中的“bv”。電流來(lái)源是“bi”。B源使用函數(shù)來(lái)指定輸出。LTspice中有三個(gè)函數(shù)可以產(chǎn)生噪聲或隨機(jī)數(shù)作為這些源的輸入。這三個(gè)函數(shù)是RAND（）、RANDOM（）和WHITE（）。它們產(chǎn)生具有不同特征的偽隨機(jī)數(shù)。

該圖顯示了一個(gè)重復(fù)三次的反相放大器。每個(gè)實(shí)例使用三個(gè)函數(shù)之一。時(shí)域圖顯示了輸出的差異。RAND（）是頂部圖。輸出不平滑，看起來(lái)不像我們想要的模糊波形。中間的圖是RANDOM（）。RANDOM（）平滑輸出但注意直流偏移。底部的圖是WHITE（）。輸出更平滑，沒(méi)有直流偏移。

這三個(gè)來(lái)源產(chǎn)生相關(guān)產(chǎn)出。換句話(huà)說(shuō)，它們一起移動(dòng)。在準(zhǔn)確的噪聲仿真中，所有源都是獨(dú)立的或不相關(guān)的。內(nèi)部隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生類(lèi)似的輸出，可能是因?yàn)樗泻瘮?shù)都基于相同的時(shí)間變量。如果你需要多個(gè)不相關(guān)的噪聲源，PWL源（如下所述）可能會(huì)更好。該仿真包括.MEASURE指令，將波形的均方根值和峰間值打印到SPICE錯(cuò)誤日志中。以下是此次運(yùn)行的結(jié)果。

“wh--”是WHITE（）?！癛dm--”是RANDOM（）。“Rd--”是RAND（）。峰峰值應(yīng)接近1伏。峰峰值與RMS的比值應(yīng)為4至6，這是白噪聲的典型值。請(qǐng)注意，偏移量從RAND（）和RANDOM（）中刪除。通過(guò)將函數(shù)內(nèi)部時(shí)間變量乘以比例因子來(lái)控制源的高頻截止。很多這些東西沒(méi)有記錄。以下是兩個(gè)顯示比例因子為1000和10000的圖表。

讓我們更詳細(xì)地看一下輸出。以下是圖表的前幾毫秒，其中突出顯示了數(shù)據(jù)點(diǎn)。

有時(shí)RANDOM（）和WHITE（）被描述為RAND（）的低通濾波版本。這些詳細(xì)的圖表顯示情況并非如此。此外，WHITE（）不僅僅是RANDOM（）的偏移版本。這是兩個(gè)函數(shù)的差減去了偏移量，差別很大。

仿真3：在時(shí)域中使用PWL

另一種時(shí)域技術(shù)使用PWL（分段線(xiàn)性）源。波形的各個(gè)部分用文本文件中的時(shí)間-電壓對(duì)列表來(lái)指定。這是用電子表格和RND（）函數(shù)創(chuàng)建的1000點(diǎn)文件的開(kāi)頭。RND（）的輸出偏移為-0.5，使數(shù)字居中于0左右。大多數(shù)電子表格程序應(yīng)接受“= RND（） - 0.5”。

LTspice使用空白分隔符。我用了一個(gè)標(biāo)簽。將文件放在與原理圖相同的目錄中，并在為源設(shè)置PWL功能時(shí)在PWL文件框中輸入文件名。例如，我使用 random_data.txt。

以下是此次運(yùn)行的峰峰值和RMS測(cè)量值。

可以將運(yùn)行中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為與輸入文件格式相同的文本文件。請(qǐng)參見(jiàn)“ 文件 - >將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為文本”。以下是此次運(yùn)行的導(dǎo)出文件的開(kāi)頭。LTspice為time = 0添加了一個(gè)條目，該條目不在輸入文件中。在比較輸入和輸出文件時(shí)，可以看到運(yùn)算放大器反轉(zhuǎn)和其他電路效應(yīng)。

提示：導(dǎo)出到.wav音頻文件

LTspice可以將繪圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.wav音頻文件。將此指令放入上面的原理圖中，只產(chǎn)生一個(gè)工程師可能喜歡的聲音。

你還可以免費(fèi)制作一個(gè).csv到.wav的文件轉(zhuǎn)換器。

總結(jié)

本文介紹了幾種仿真白噪聲源的方法，并討論了它們的一些局限性。還有其他創(chuàng)造性的方法可以為L(zhǎng)Tspice制作噪聲源。例如，有些人使用半導(dǎo)體器件來(lái)產(chǎn)生1/噪聲。