9.8 Анализ шумов
Шумы — это электрическая или магнитоэлектрическая энергия, которая уменьшает качество сигнала. Шумы сказываются на цифровых, аналоговых и всех коммуникационных системах. Multisim создает шумовую модель схемы, используя шумовые модели каждого резистора и полупроводникового устройства, вместо AC моделей и затем проводит AC-подобный анализ. Программа рассчитывает шумовой вклад каждого компонента и распространяет его к выходу схемы во всем частотном диапазоне, заданном в диалоговом окне анализа.
Анализ шумов рассчитывает шумовой вклад от каждого резистора и полупроводникового устройства для заданного выходного узла. Каждый резистор и полупроводниковое устройство рассматриваются, как генератор шума. Каждый вклад генератора шума рассчитывается и приводится подходящей функцией преобразования к выходу схемы. «Общий выходной шум» на выходном узле — это RMS (Root Mean Square, среднеквадратичное) сумма индивидуальных шумовых вкладов. Результат затем делится на усиление от входного источника до выхода, чтобы получить «эквивалентный входной шум». Это количество шума, которое, будучи добавлено к входному источнику «бесшумной» схемы, привело бы к появлению прежде вычисленного шума на выходе. Напряжение «общего выходного шума» может быть относительно земли или может быть отнесено к другому узлу схемы. В этом случае общий выходной шум берется по этим двум узлам.
Multisim может моделировать три разных типа шума:
1.Тепловой шум (также известный, как Джонсона или белый шум) — это температурно-зависимый и обязанный температурному взаимодействию между свободными электронами и вибрирующими ионами в проводнике. Его частотное содержание простирается по всему спектру.
Мощность этого генерируемого шума дается формулой Джонсона: P = k × T × BW
где
2.Дробовой шум (Shot noise) обусловлен дискретно-корпускулярной природой тока, протекающего во всех формах полупроводников. Это основная причина шумов транзисторов. Уравнение для дробового шума диода:
National Instruments Corporation |
424 |
Multisim User Guide |
Для всех других устройств, таких как транзисторы, правильной формулы нет. Смотрите справочные листки производителей. Дробовой шум и тепловой шум аддитивны.
3.Мерцающий шум (Flicker noise) обычно генерируется BJT и FET и проявляется на частотах ниже 1 кГц. Этот тип шума также известен, как избыточный шум или розовый шум. Он обратно пропорционален частоте и прямо пропорционален температуре и уровню постоянного тока.
•
•
Вклад шума компонентами определяется их SPICE моделью. Внутри модели два параметра определят выход анализа шума:
AF = фликер-шум компонента (AF=0) KF = Мерцающий шум (KF=1)
9.8.1 Установка параметров Noise Analysis
Перед выполнением анализа просмотрите вашу схему и примите решение относительно источника приведенных ко входу шумов, выходного узла и опорного узла.
Параметры анализа шумов устанавливаются в следующем диалоговом окне:
Установка параметров Noise Analysis для обычного использования
Анализ шумов выполняет AC анализ для определения шума. Анализ шумов производит спектр выходного шума, спектр входного шума и, дополнительно, спектр вклада компонента. Когда анализ заканчивается, его результаты отображаются в виде графика квадрата напряжения, V2, в зависимости от частоты.
На закладке Analysis Parameters задайте:
•Источник приведенного входного шума.
National Instruments Corporation |
425 |
Multisim User Guide |
•
•
Выходной узел. Опорный узел.
По умолчанию Multisim отображает только узлы, которые являются частью текущей страницы.
►Чтобы отобразить узлы, содержащиеся внутри подсхем или иерархических блоков:
1.Щелкните Change Filter и выберите Display submodules из появившегося диалогового окна Filter Nodes.
Все три опции фильтра поясняются ниже:
•Display internal nodes — отображать узлы внутри иерархических блоков и подсхем.
•Display submodules — отображать компоненты внутри полупроводниковых устройств, определяемые SPICE моделью этого устройства.
•Display open pins — отображаются все неприсоединенные узлы схемы.
Установка параметров Noise Analysis для расширенного использования
На закладке Analysis Parameters вы можете задать, как часто производится вклад шума каждого генерирующего шум устройства, установив Set points per summary и введя значение.
Установка частотных параметров Noise Analysis
Частотные параметры анализа шума устанавливаются в следующем диалоговом окне:
Установка частотных параметров Noise Analysis для обычного использования
Установки по умолчанию на закладке Frequency Parameters подходят для большинства случаев. Вам только нужно определить диапазон частот, впечатав значения в поля Start Frequency (FSTART) и Stop Frequency (FSTOP).
► Чтобы скопировать установки текущего AC analysis в этот анализ, щелкните по Reset to main AC values.
Когда требуемые значения выбраны и диапазон частот определен, вы можете запускать анализ.
National Instruments Corporation |
426 |
Multisim User Guide |
Установка частотных параметров Noise Analysis для расширенного пользования
На закладке Frequency Parameters вы можете также установить:
•Тип «качания», выбрав нужный тип (декадный, линейный или октавный) из выпадающего списка Sweep type. Тип «качания» определит, как расчетные точки будут распределены по частотному диапазону.
•Количество рассчитываемых точек в процессе анализа, введя значение в поле Number of points per decade.
Примечание: Чем больше расчетных точек, тем точнее результат, однако скорость симуляции будет пропорционально снижена.
•Формат результатов анализа, выбором нужной шкалы (линейной, логарифмической, в децибелах или октавной) из выпадающего списка Vertical scale.
Примечание: Щелкните по Reset to Default для сброса всех параметров закладки Frequency Parameters к их значениям по умолчанию.
Детальнее другие закладки диалогового окна Noise Analysis описаны в «Работа с анализами».
9.8.2 Пример анализа шума
Схема ниже — это базовый операционный усилитель с усилением равным 5. Для этого анализа мы получим результаты для шумового напряжения для R1 и R2 и покажем график спектра шума в зависимости от частоты в диапазоне между 10 Гц и 10 Ггц.
Ожидаемые параметры
Расчеты ниже определят, какого рода выход мы можем ожидать:
Если R1 = 1 кОм, тогда: шум = 4rkTB
=4(1000Ω)(1.38 10 − 23 )(295 K )(109 Hz )
=162 nV 2
Если R2=5 кОм, тогда: шум = 4rkTB
= 4(5000Ω)(1.38 10 − 23 )(295 K )(109 Hz )
National Instruments Corporation |
427 |
Multisim User Guide |
= 814 nV 2
Multisim Analysis
►Для установок анализа в Multisim:
1.Выберите Simulate/Analyses/Noise Analysis.
2.Выберите закладку Analysis Parameters и задайте следующее:
•Источник входного опорного шума—vv3
•Выходной узел—V(4)
•Опорный узел—V(0)
3.Выберите закладку Frequency Parameters и задайте следующее:
•FSTART—1Hz
•FSTOP—10GHz
•Sweep type—Decade
•Number of points per decade—5
•Vertical Scale—Logarithmic
4.Выберите закладку Output, выберите следующие переменные для отображения при симуляции:
•innoise_total_rr1 & innoise_total_rr2
Примечание: Нет нужды добавлять любые параметры devices/model к нашему списку переменных для этого примера.
5.Щелкните Simulate. В Grapher отобразится диаграмма с данными похожими на ожидаемые результаты.
►Чтобы увидеть кривые, вы должны заново инициировать анализ:
1.Выберите Simulate/Analyses/Noise Analysis.
2.На закладке Analysis Parameters установите Set points per summary и введите 5 в поле.
3.На закладке Output выберите следующие переменные для отображения в процессе симуляции:
•onoise_rr1 & onnoise_rr2
4.Щелкните по Simulate. Grapher отобразит следующее:
График показывает, что напряжение шума постоянно для низких частот. На высоких частотах напряжение шума существенно снижается.
National Instruments Corporation |
428 |
Multisim User Guide |