【一种变送器电路的噪声分析与优化设计】 差压变送器工作原理

　　摘要：本文阐述了噪声的基本特性和类型，并根据噪声的基本理论详细地分析和计算了一种变送器电路中的噪声。其中主要包括1/f噪声是如何引起的，计算出了其值的大小，并利用HSPICE仿真工具加以验证。在此基础上提出了通过降低输出电阻和采用跨导放大器的电路结构来降低噪声，最终实现了电路的噪声优化。
　　关键词：变送器，热噪声，闪烁噪声，微弱信号传输系统
　　Abstract: In this paper, the analysis and design optimization of 1/f noise are described. The noise of a typical transmitter is analyzed and calculated, including the 1/f noise, also verification with Hspice is done. Through the optimization of output resistance and tran-impedance of the amplifier, better performances were resulted.
　　Key words: transmitter, hot noise, 1/f noise, low level signal processing systems.
　　
　　 现今的模拟电路设计者经常要考虑噪声的问题，因为噪声是集成电路设计中重要的因素之一，它决定着微弱信号传输系统的性能。由于集成系统的噪声由组成该系统的基本集成单元的噪声特性决定，所以为了优化电路的噪声，了解每个基本单元所产生的噪声是非常重要的。
　　本文首先对噪声的特性、种类进行了简单描述，并给出了一些有关噪声计算的公式。同时重点分析了一种变送器电路中的噪声，计算出了电路中各端口的噪声，以及总的输出噪声，并通过HSPICE仿真验证了计算结果。其次对产生较大噪声的模块进行分析，最后提出了针对该电路的噪声优化的具体方法。
　　
　　1噪声的统计特性[1]
　　
　　噪声是一个随机过程，也就是说噪声的瞬时值在任何时候都不能被预测。但在很多情况下，噪声的平均功率是可以被预测的。从基本电路理论可知，一个周期性电压V（t）加在一个负载电阻RL上消耗的平均功率由下式给出：
　　 T是周期。Pav可被形象地看作是V（t）在RL上产生的平均热能。由于噪声的随机性，测量须在较长的一段时间内进行。
　　 其中x（t）表示电压量。图1.1表示对每个信号取平方，在较长时间T内计算由此产生的波形下的面积，平均功率可通过将面积对T归一化后得到。
　　 1.1 噪声谱
　　 噪声谱,也称为“功率密度谱”（PSD），表示在每个频率上，信号具有的功率大小。
　　
　　 1.2 幅值分布
　　通过长时间的观察噪声波形，可以构造出噪声幅值的分布，表示出每个值出现多么频繁，x（t）的分布，也被称为“概率密度函数”（PDF），被定义为
　　 PX（X）dx=x 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　 如果要对该电路进行进一步的噪声优化，可以考虑采用增加器件面积的方法去减小1/f噪声。因为器件面积的增加，会使流过器件的电流密度减小，使得电荷载流子被“悬挂”键俘获的数量减少，从而降低漏电流中产生的闪烁噪声。
　　
　　5总结
　　
　　噪声现象及其在模拟电路中的影响越来越受到关注，因为噪声与功耗、速度和线性度之间是互相制约的。本文对一种变送器产生的噪声进行了分析，提出了利用减小输出电阻和采用差分电路结构以及加大器件面积的方式来降低噪声的方法，噪声计算和仿真的结果均符合产品的设计指标。
　　
　　参考文献
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　　[9]H. A. Haus et al.. Representation of Noise in Linear Twoports. Proc. IRE, vol.48, pp.69-74,Jan. 1960.
　　
　　作者简介
　　卢剑，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;
　　律博，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;
　　刘峻，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;
　　王鸿鹏，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;
　　郭宇，高级工程师，研究方向：集成电路的设计与研究;
　　苏建华，硕士研究生，研究方向：集成电路的设计与研究;
　　吴春瑜，教授，硕士生导师，主要从事集成电路及半导体器件的教学与研究;
　　梁洁，北京美新华微电子技术有限公司技术总监。
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