¿Por qué la figura de ruido de los componentes se vuelve menos significativa en una red en cascada?

Piense en las ganancias de las entradas de cada etapa a la salida. Esto es asumiendo una cadena de etapas amplificadoras. La entrada de la primera etapa se multiplica por la ganancia de todas las etapas juntas. La entrada de cada etapa adicional solo por la ganancia de las etapas restantes.

Por ejemplo, tiene un amplificador de micrófono con una ganancia total de 2000, donde la primera etapa tiene una ganancia de voltaje de 10 y produce una salida de baja impedancia. La señal de salida de esa etapa (y en las etapas restantes) ahora es menos susceptible al ruido por dos razones:

1. La impedancia es menor. El ruido acoplado capacitivamente tiene una alta impedancia porque está en serie con un condensador relativamente pequeño, generalmente muy por debajo de 100 pF. La impedancia de la señal forma un divisor de voltaje con este capacitor. Cuanto menor es la impedancia de la señal, más se atenúa el mismo ruido acoplado capacitativamente al llegar a esa señal.

2. Hay menos ganancia desde este punto a la salida. En este ejemplo, la ganancia es 10 veces menor que la que experimenta la señal del micrófono sin procesar. Esto se debe a que el ruido inyectado después de la primera etapa no se amplifica en esa etapa. En este ejemplo, el ruido después de la primera etapa solo se amplifica en 200 a la salida.

Esto solo se aplica cuando el nivel de señal nominal aumenta de una etapa a otra. Este suele ser el caso en el que se suele citar la figura de ruido, como en un receptor.

En un generador de señales, donde un atenuador a menudo forma parte de la cadena de señales, la cifra de ruido se vuelve más significativa más adelante en la cadena.

La cifra de ruido es solo una parte de Dynamic Range , la verdadera limitación del rendimiento de los sistemas de procesamiento de señales. El rango dinámico viene dado por el nivel máximo de señal menos la cifra de ruido.

Cuando la cifra de ruido se cita por sí misma, generalmente estamos haciendo algunas suposiciones sobre los niveles de señal. Estas suposiciones pueden ser válidas, pero a veces no lo son.

Para el extremo frontal de un receptor sensible, si asumimos que el nivel de la señal es pequeño, entonces la cifra de ruido es lo único de lo que debemos preocuparnos. A medida que el nivel de la señal aumenta etapa por etapa, aumenta el 'espacio' entre la señal y el ruido agregado, por lo que podemos tolerar más ruido agregado en etapas posteriores que tienen más señal.

Aquí hay un gráfico de ruido de Signal Chain Explorer. Los 3 OpAmps tienen ganancia de 10,10,10. Las resistencias de ajuste de ganancia y la densidad de Rnoise interna se escalan en 100. Observe que las contribuciones de ruido son exactamente iguales. El total es 9.4 uV

Aquíestáelesquema

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Este diseño lownoise tiene una ponderación desigual: aún gana 10 veces por etapa, pero las resistencias se amplían en 10: 10 Ohm, 100 Ohm, 1Kohm. El ruido total es de 6.4 uV.

Por lo tanto, esa ganancia de etapa es tu amigo, tu grado de libertad.

Es el momento de ejecutar un diseño de bajo nivel de ruido, donde DOMINE LA PRIMERA ETAPA. Suponga que necesita 1nanoVolt / RtHz densidad de ruido (60 ohms Rnoise). Asigne un total de 40 ohmios a la primera etapa de ganancia. [utilizaremos 20 Ohms ReferredToInput para la 2ª etapa, 1 Ohm RTI para la 3ª] Y configura esa primera etapa para ganar 5.

Tenga en cuenta que la 2ª etapa tiene 1/25 el impacto en el ruido frontal. Puede tener 20 ohmios * 25 == 500 ohmios de generación de ruido total en esa 2a etapa. Configure esa segunda etapa para obtener una ganancia de 10.

Tenga en cuenta que la tercera etapa tiene 1/100 * 1/25 = 1 / 2,500 el impacto en la primera etapa. Usamos nuestro presupuesto de ruido frontal: 60 ohmios = 40 + 20. Diseñe la tercera etapa para resistencias de ruido totales de 1.000 ohmios. Esos se reducen en 1.000 / 2.500 o menos de 1 ohm en la primera etapa.

Por cierto, puede usar la herramienta gratuita Signal Chain Explorer para jugar con estos efectos Encuentre SCE en robustcircuitdesign.com y háganos saber cómo lo usa.

Otro ejemplo: configurar la cadena de señales como

1) algunos opamp, con Rnoise de 30 ohms, Rg de 8 ohms y Rfb de 32 ohms (ganancia = 5)

2) algunos opamp, con Rnoise de 400 ohmios, Rg de 90 ohmios y Rfb de 909 ohmios (ganancia = 10)

3) algunos opamp, con Rnoise de 900 ohmios, Rg de 90 ohmios y Rfb de 909 ohmios (ganancia = 10)

Es posible que se pregunte por qué el LowPassFilter en el nodo de salida. Necesario para contribuciones de ruido idénticas, porque el ruido de alta frecuencia de la primera etapa se filtra de manera diferente a la etapa # 3, a menos que limitemos artificialmente el ruido de alta frecuencia.