Анализ шума

Анализ шума

В типичной схеме переменного тока шум вызывается хаотическим движением молекул в резисторах, диодах и транзисторах. Это свойство заложено в модели резисторов и полупроводниковых компонентов, используемых в PSpice. В качестве примера создадим в Capture новый проект с именем selfbs. Введите схему, показанную на рис. 17.14. Используйте компонент типа VAC для источника величиной 10 мВ и компонент Q2N3904 для транзистора. При выборе транзистора измените его коэффициент усиления, задав h_FE=100, для чего, выбрав из главного меню Edit, PSpice Model, измените значение B_f на 100.

Рис. 17.14. Транзисторный усилитель, для которого проводится анализ шума

Подготовьте моделирование на PSpice с именем selfbs1. Установите для анализа шума (ас sweep/noise) логарифмическую вариацию от 10 Гц до 100 МГц (в PSpice записывается 100MegHz) с шагом 20 точек на декаду. Проверьте поле Noise Analysis Enabled. Псевдоним выходного узла Vout должен быть введен как «V(Vout)», а входным узлом для схемы будет выход источника переменного напряжения Vs. Используйте интервал 100 и щелкните OK.

Проведите моделирование на PSpice и получите график V(ONOISE), затем добавьте ось Y и получите график V(INOISE). Сравните ваши результаты с показанными на рис. 17.15. Обратите внимание, что в полезном диапазоне работы схемы, вблизи от нашей типовой частоты 5 кГц, шум на выходе равен 171,6 нВ, в то время как шум на входе составляет 1,136 нВ. Последнее значение не является шумом самого источника Vs, но представляет собой усиленный бесшумной схемой шум от эквивалентного источника, включенного на входе. Шум эквивалентного источника учитывает суммарный эффект от шума всех компонентов схемы и частотную характеристику усилителя.

Рис. 17.15. Результаты анализа шума для транзисторного усилителя 

 Чтобы увидеть влияние последнего фактора, желательно снять и саму частотную характеристику. Для этого можно получить графики входного и выходного напряжений. Они могут быть получены аналогично. Получите эти графики в выбранном диапазоне частот, использовав на сой раз V(Vout) и (V Vs:+). Как показано на рис. 17.16, при типичной рабочей частоте в 5 кГц величина выходного напряжения равна 1,51 В при величине входного напряжения в 10 мВ. Можно также видеть, что выходное напряжение падает при низких и высоких частотах.

Рис. 17.16. Частотная характеристика усилителя ОЭ

На рис. 17.17 показаны только перечень компонентов, псевдонимы и параметры смещения. Остальная часть выходного файла показана на рис. 17.18. Анализ шума сведен в таблицы только для f=10 Гц и f=1 МГц. Это определяется установкой интервала «100» в анализе шума. Если бы вместо этого было установлено значение «10», то таблица анализа шума включала бы частоты, равные 10,316 Гц, 1,316 кГц и так далее, создав 36 страниц в выходном файле. Если значение интервала установить равным 20, таблица анализа шума будет включать следующие частоты: 10, 100 Гц, 1, 10 кГц и далее соответственно.

**** 09/04/99 20:29:50 *********** Evaluation PSpice (Nov 1998) **************

** circuit file for profile: Selfbs1

*Libraries:

* Local Libraries : .LIB

".selfbs.lib"

* From [PSPICE NETLIST] section of pspiceev.ini files

.lib nom.lib

*Analysis directives:

.AC DEC 20 10Hz 100MegHz

.NOISE V([VOUT]) V_VS 100

* PROBE

*Netlist File:

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.net"

* Alias File:

**** INCLUDING selfbs-SCHEMATIC1.net ****

* source SELFBS

R_Rin VOUT 0 9.4k

R_RE  6 0 220

R_RC  4 5 9.4k

R_R2  3 0 3.3k

R_R1  4 3 40k

R_Rs  1 2 50

V_Vs  1 0 DC 0V AC 10mV

Q_Q1  5 3 6 Q2N3904

C_C2  6 0 15uF

C_C3  5 VOUT 15uF

C_Cb  2 3 15uF

V_VCC 4 0 12V

**** RESUMING selfbs-SCHEMATIC1-Selfbs1.sim.cir ****

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.als"

**** INCLUDING selfbs-SCHEMATIC1.als ****

.ALIASES

R_Rin Rin(1=VOUT 2=0 )

R_RE  RE(1=6 2=0 )

R_RC  RC(1=4 2=5 )

R_R2  R2(1=3 2=0 )

R_R1  R1(1=4 2=3 )

R_Rs  Rs(1=1 2=2 )

V_Vs  Vs(+=1 -=0 )

Q_Q1  Q1(c=5 b=3 e=6 )

С_C2  C2(1=6 2=0 )

C_C3  C3(1=5 2=VOUT )

С_Cb  Cb(1=2 2=3 )

V_VCC VCC(+=4 -=0 )

.ENDALIASES

**** RESUMING selfbs-SCHEMATIC1-Selfbs1.sim.cir ****

.END

**** BJT MODEL PARAMETERS

   Q2N3904

   NPN

IS 6.734000E-15

BF 100

**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE    VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000  ( 2) 0.0000  ( 3)    .8722   ( 4) 12.0000

( 5) 3.2056  ( 6) .2089   ( VOUT) 0.0000

VOLTAGE SOURCE CURRENTS

NAME  CURRENT

V_Vs  0.000E+00

V_VCC -1.214E-03

TOTAL POWER DISSIPATION 1.46E-02 WATTS

Рис. 17.17. Часть выходного файла для анализа шума, показывающая перечень элементов, псевдонимы и параметры смещения

** circuit file for profile: Selfbs1

NOISE ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQUENCY = 1.000E+01 HZ

**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      Q_Q1

RB    5.570E-17

RC    1.250E-24

RE    0.000E+00

IBSN  1.900E-15

IС    1.505E-16

IBFN  0.000E+00

TOTAL 2.107E-15

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_Rin     R_RE      R_RC      R_R2      R_R1      R_Rs

TOTAL 3.865E-17 1.176E-15 3.817E-17 1.650Е-15 1.361E-16 2.413E-16

**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 5.387E-15 SQ V/HZ

                                = 7.339E-08 V/RT HZ

TRANSFER FUNCTION VALUE:

V(VOUT)/V_Vs = 1.706E+01

EQUIVALENT INPUT NOISE AT V Vs = 4.301E-09 V/RT HZ

FREQUENCY = 1.000E+06 HZ

**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      Q_Q1

RB    3.773E-15

RC    6.86CE-22

RE    0.000E+00

IBSN  3.552Е-16

IС    5.682E-15

IBFN  0.000E+00

TOTAL 9.810E-15

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_Rin     R_RE      R_RC      R_R2      R_R1      R_Rs

TOTAL 3.342Е-17 1.932E-22 3.342E-17 2.767E-16 2.283E-17 1.826E-14

**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 2.844E-14 SQ V/HZ

                                = 1.686E-07 V/RT HZ

TRANSFER FUNCTION VALUE:

V(VOUT)/V_Vs = 1.484E+02

EQUIVALENT INPUT NOISE AT V_Vs = 1.136E-09 V/RT HZ

Рис. 17.18. Часть выходного файла анализа шума, показывающая результаты анализа шума

Трудно оценить результаты шумового анализа на простой схеме. Если не имеется многокаскадных или других схем, которые будут использоваться для сравнения, полученные для шумовых напряжений значения будут сомнительны. Обратите внимание, что спектральные плотности шума как транзистора, так и резистора, приведены для каждой выбранной частоты. Листинг содержит также общее напряжение шума на выходе, обозначенное как передаточная функция V_out/V_s. В знаменателе показан упомянутый ранее входной шум эквивалентного источника.

В качестве упражнения проведите анализ снова, задав интервал «10» при анализе шума, затем загрузите выходной файл selfbsI.out з программу текстового редактора. Распечатайте только сведенные в таблицу результаты для f=10 кГц, и сравните ваши результаты с показанными на рис. 17.19. При типичней рабочей частоте сравните шумовые уровни напряжения транзистора и резисторов с показанными для f=10 Гц и f=1 МГц на рис. 17.18. Также обратите внимание, что отношение V_out/V_s=151,4 не отличается от результата, полученного в Probe.

** circuit file for profile: Selfbs1

*Analysis directives:

.AC DEC 20 10Hz 100MegHz

.NOISE V([VOUT]) V_Vs 20

.PROBE

*Netlist File:

.INC "selfbs-SCHEMATIC1.net"

**** NOISE ANALYSIS TEMPERATURE = 27.000 DEG С

FREQUENCY = 1.000E+04 HZ **** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      Q_Q1

RB    3.926E-15

RC    4.921E-23

RE    0.000E+00

IBSN  3.701E-16

IC    5.912E-15

IBFN  0.000E+00

TOTAL 1.021E-14

**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)

      R_Rin     R_RE      R_RC      R_R2      R_R1      R_Rs

TOTAL 3.483E-17 2.010E-18 3.483E-17 2.880E-16 2.376E-17 1.900E-14

**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE = 2.959E-14 SQ V/HZ

                                = 1.720E-07 V/RT HZ

TRANSFER FUNCTION VALUE:

V(VOUT)/V_Vs = 1.514E+02

EQUIVALENT INPUT NOISE AT V_Vs = 1.136E-09 V/RT HZ

Рис. 17.19. Выходной файл, использующий интервал «10» при анализе шума