噪声是模拟电路设计的一个核心问题,它会直接影响能从测量中提取的信息量,以及获得所需信息的经济成本。遗憾的是,关于噪声有许多混淆和误导信息,可能导致性能不佳、高成本的过度设计或资源使用效率低下。本文阐述关于模拟设计中噪声分析的11个由来已久的误区。
1. 降低电路中的电阻值总是能改善噪声性能
噪声电压随着电阻值提高而增加,二者之间的关系已广为人 知,可以用约翰逊噪声等式来描述:erms = √4kTRB,其中erms 为均方根电压噪声,k为玻尔兹曼常数,T为温度(单位为K),R为电阻值,B为带宽。这让许多工程师得出结论:为了降低噪声,应当降低电阻值。虽然这常常是正确的,但不应就此认定它是普遍真理,因为在有些例子中,较大的电阻反而能够改善噪声性能。举例来说,在大多数情况下,测量电流的方法是让 它通过一个电阻,然后测量所得到的电压。根据欧姆定律V = I ×R,产生的电压与电阻值成正比,但正如上式所示,电阻的约翰逊噪声与电阻值的平方根成正比。由于这个关系,电阻值每提高一倍,信噪比可以提高3 dB。在产生的电压过大或功耗过高之前,此趋势一直是正确的。
2. 所有噪声源的噪声频谱密度可以相加,带宽可以在最后计算时加以考虑
将多个噪声源的噪声频谱密度(nV/√Hz)加总(电压噪声源按平方和开根号),而不分别计算各噪声源的rms噪声,可以节省时间,但这种简化仅适用于各噪声源看到的带宽相同的情况。如果各噪声源看到的带宽不同,简单加总就变成一个可怕的陷阱。图1显示了过采样系统中的情况。从噪声频谱密度看,系统总噪声似乎以增益放大器为主,但一旦考虑带宽,各级贡献的rms 噪声其实非常相近。
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