Почему коэффициент шума компонентов становится менее значительным дальше по цепочке в каскадной сети?

Подумайте о приросте от входов каждого этапа к выходу. Это предполагает цепочку каскадов усилителя. Вход первого каскада умножается на усиление всех каскадов вместе. Ввод каждого последующего каскада только по коэффициенту усиления остальных каскадов.

Например, у вас есть микрофонный усилитель с общим коэффициентом усиления 2000, где первый каскад имеет коэффициент усиления по напряжению 10 и обеспечивает выходной сигнал с низким импедансом. Сигнал из этого каскада (и в остальные каскады) теперь менее чувствителен к шуму по двум причинам:

1. Импеданс ниже. Шум с емкостной связью имеет высокий импеданс, потому что он включен последовательно с относительно небольшим конденсатором, обычно менее 100 пФ. Полное сопротивление сигнала образует делитель напряжения с этим конденсатором. Чем ниже импеданс сигнала, тем больше тот же емкостно-связанный шум ослабляется, попадая в этот сигнал.

2. От этой точки до выхода меньше выигрыш. В этом примере усиление в 10 раз меньше, чем необработанный микрофонный сигнал. Это связано с тем, что шум, вводимый после первого каскада, не усиливается этим каскадом. В этом примере шум после первого каскада усиливается только на 200 на выходе.

Это применимо только в том случае, если номинальный уровень сигнала увеличивается от каскада к каскаду. Обычно это тот случай, когда часто указывается коэффициент шума, например, в приемнике.

В генераторе сигналов, где аттенюатор часто является частью сигнальной цепи, коэффициент шума становится более значительным позже в цепи.

Коэффициент шума — это только часть динамического диапазона , реального ограничения производительности систем обработки сигналов. Динамический диапазон определяется максимальным уровнем сигнала за вычетом коэффициента шума.

Когда коэффициент шума приводится сам по себе, мы обычно делаем некоторые предположения об уровнях сигнала. Эти предположения могут быть верными, но иногда это не так.

Для входной части чувствительного приемника, если мы предположим, что уровень сигнала мал, то коэффициент шума — это единственное, о чем нам нужно беспокоиться. По мере того, как уровень сигнала увеличивается поэтапно, «запас» между сигналом и добавленным шумом увеличивается, поэтому мы можем допустить больший добавленный шум на более поздних этапах, когда сигнал больше.

Вот график шума из Signal Chain Explorer. 3 операционных усилителя имеют усиление 10,10,10. Резисторы, задающие коэффициент усиления, и внутренняя Rnoise_density увеличиваются на 100. Обратите внимание, что шумовые вклады точно равны. Всего 9,4 мкВ

Вот схема

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Вот неравномерно взвешенная конструкция с низким уровнем шума: по-прежнему усиление 10x на каскад, но резисторы увеличены в 10 раз: 10 Ом, 100 Ом, 1 кОм. Суммарный шум составляет 6,4 мкВ.

Таким образом, эта ступенчатая выгода — ваш друг, ваша степень свободы.

Настало время пробежаться по малошумной конструкции, где ПЕРВАЯ СТУПЕНЬ ДОМИНИРУЕТ. Предположим, что необходима плотность шума 1 наноВольт/РтГц (60 Ом Rnoise). Выделите всего 40 Ом на первую ступень усиления. [мы будем использовать 20 Ом ReferredToInput для 2-го каскада, 1 Ом RTI для 3-го] И настроим этот первый каскад на усиление 5.

Обратите внимание, что 2-я ступень оказывает 1/25 влияния на внешний шум. Вы можете получить 20 Ом * 25 == 500 Ом общего шума на втором этапе. Настройте этот 2-й этап для усиления 10.

Обратите внимание, что 3-й этап имеет 1/100 * 1/25 = 1/2500 влияния на 1-й этап. Мы израсходовали наш шумовой бюджет входного каскада: 60 ​​Ом = 40 + 20. Спроектируйте 3-й каскад для резисторов суммарного шума 1000 Ом. На первом этапе они уменьшаются на 1000/2500 или менее 1 Ом.

Кстати, вы можете использовать бесплатный инструмент Signal Chain Explorer, чтобы поработать с этими эффектами. Найдите SCE на сайте robustcircuitdesign.com и сообщите нам, как вы его используете.

Другой пример: настройте цепочку сигналов как

1) некоторые операционные усилители с Rnoise 30 Ом, Rg 8 Ом и Rfb 32 Ом (усиление = 5)

2) некоторые операционные усилители с Rnoise 400 Ом, Rg 90 Ом и Rfb 909 Ом (усиление = 10)

3) некоторые операционные усилители с Rnoise 900 Ом, Rg 90 Ом и Rfb 909 Ом (усиление = 10)

Вы можете задаться вопросом, почему фильтр LowPassFilter на выходном узле. Необходимо для идентичных вкладов шума, потому что высокочастотный шум первой ступени фильтруется иначе, чем ступень № 3, если только мы искусственно не ограничиваем высокочастотный шум.