LTspice噪声仿真要点

这里是以LTspice为例看下如何进行噪声仿真，以及相关要点。因为LTspice非常容易上手，最重要的，它是免费软件，所以用它进行电路仿真比较常见。

仿真电路参见图1。 噪声仿真之前，我们首先需要确认电路是否工作正常，因为如果哪根线没有连好，仿真软件是不会报错的，这样仿真出来的结果就都是错误的了！ 那么噪声仿真之前如何确认电路是否工作正常呢？答案就是利用频域仿真，看结果是否符合预期。

其他项目仿真也是一样的，需要确定电路是否正常再进行。比如稳定性仿真之前，可以先进行直流仿真以确认各个节点直流电平正确后，再仿真稳定性。

图1 仿真电路举例

根据图1可得出电路的增益为11，1+Rf/Rg=1+10K/1K=11，大概是20dB（实测为20.08dB）。用LTspice频域仿真时，一定要注意Vin AC=1，否则直流增益是错误的。这是因为我们仿真得到的只是输出Vout，而不是增益（Gain=Vout/Vin），所以当Vin等于1时，Vout才是增益。仿真得到它的截止频率f-3dB大概是8MHz。参见图2和图3。

其实这里也是挺奇怪的。因为工业上一般认为±200mV以内算小信号，可以使用增益带宽积这些参数。1V输入算是大信号了，需要用压摆率才行。所以图4中的测试条件也是特别标注了输出范围在2Vp-p以内。不过我也看了ADI提供的LTspice运放仿真文件，里面AC仿真输入信号也是1V，所以这样频域仿真是没问题的。

图2 频域仿真确认电路是否搭建正确

图3 截止频率带宽大约8MHz

那么如何判定电路没有问题呢？ 可以对照datasheet中的不同闭环增益与频率的曲线，参见图4。从图中可以看到，G=＋10的时候，它的截止频率可以粗略看到是6MHz。我们的增益为11，截止频率大概为8MHz，相差是不多的。实际应该是增益越大带宽越小，但图4是对数图，目测误差会很大。所以可以认为电路没有问题，可以继续噪声仿真了。

可能有人会问，为什么不用增益带宽积确认呢？ 因为使用增益带宽积算出的截止频率，与仿真得到的相差太大了，以至于我仿真时候怀疑自己弄错了，后来才发现图4这条曲线。实际上AD8065数据手册中并没有增益带宽积的参数，只给了G=＋1的带宽，典型值为145MHz，如果把它当作增益带宽积使用，那么除以增益11后得到的带宽大概为11MHz，距离我们仿真得到的截止频率差了37%！ADI的一些运放貌似都未给出这一参数，也就是不能使用GBW，可能开环增益并不是经过主极点后呈20dB/dec滚降的，期间还存在其他零极点，斜率变化了，所以没有了增益带宽积参数。

图4 AD8065小信号在不同增益下的频域响应

好了，确认好电路工作正常之后，终于可以噪声仿真了。 仿真设置的参数参见图5，这里也有要说的。 第一，每十倍频程的数据点100就足够了，当然更多的点数精度更高，只是仿真速度会变慢；第二，起始频率设置到1Hz就够了，因为前面频域仿真得到了带宽大概8MHz，所以可以知道该电路主要的噪声源头不是1/f噪声，而是宽带噪声，所以仿真的开始频率1Hz就够了，对于结果没啥影响。对于带宽低的电路如20Hz，起始频率一般设置在0.1Hz；第三，截止频率一般要比电路截止频率的10倍，因为并没有理想滤波器，过了截止频率点后，信号就完全无法通过了，它会有一个滚降的过程。

图5 噪声仿真参数设置

图6 设置好噪声仿真参数后的仿真电路

仿真结果参见图7和图8。其中图9是很有用处的，我也是最近才发现软件有这个功能。通过它可以找到主要的噪声源头。比如用探头点到图6中的R2，就会出现电阻的噪声频率密度曲线，10K电阻的热噪声刚好就是大约40nV/sqrt（Hz），结果也是这样的。但是LTspice没有把运放自身贡献的噪声源显示出来的功能，这是比较遗憾的。

图7 输出噪声频率密度曲线

图8 得到总输出噪声的RMS值

图9 各个器件的噪声频率密度曲线

其实每次整理笔记都有一些收获，可以挖到一些自己一直自以为已经掌握了，实际却没有的小知识点。也挺开心的，这说明时间没有白费掉，因为对工作会有帮助。