Warum wird die Rauschzahl von Komponenten weiter unten in der Kette in einem kaskadierten Netzwerk weniger signifikant?

Denken Sie an die Gewinne von den Eingängen jeder Stufe zum Ausgang. Dies setzt eine Kette von Verstärkerstufen voraus. Der Input der ersten Stufe wird mit dem Gain aller Stufen zusammen multipliziert. Der Eingang jeder weiteren Stufe erfolgt nur noch durch die Verstärkung der restlichen Stufen.

Sie haben beispielsweise einen Mikrofonverstärker mit einer Gesamtverstärkung von 2000, wobei die erste Stufe eine Spannungsverstärkung von 10 hat und einen Ausgang mit niedriger Impedanz erzeugt. Das Signal aus dieser Stufe (und in die verbleibenden Stufen) ist jetzt aus zwei Gründen weniger anfällig für Rauschen:

1. Die Impedanz ist niedriger. Kapazitiv gekoppeltes Rauschen hat eine hohe Impedanz, da es mit einem relativ kleinen Kondensator in Reihe geschaltet ist, normalerweise weit unter 100 pF. Die Impedanz des Signals bildet mit diesem Kondensator einen Spannungsteiler. Je niedriger die Impedanz des Signals ist, desto mehr wird dasselbe kapazitiv gekoppelte Rauschen gedämpft, wenn es zu diesem Signal gelangt.

2. Von diesem Punkt bis zum Ausgang ist die Verstärkung geringer. In diesem Beispiel ist die Verstärkung 10-mal geringer als die des rohen Mikrofonsignals. Dies liegt daran, dass nach der ersten Stufe eingespeistes Rauschen von dieser Stufe nicht verstärkt wird. In diesem Beispiel wird das Rauschen nach der ersten Stufe nur um 200 zum Ausgang verstärkt.

Dies gilt nur, wenn der nominelle Signalpegel von Stufe zu Stufe ansteigt. Dies ist normalerweise dort der Fall, wo oft die Rauschzahl angegeben wird, wie in einem Empfänger.

In einem Signalgenerator, bei dem ein Dämpfungsglied oft Teil der Signalkette ist, wird die Rauschzahl später in der Kette signifikanter.

Die Rauschzahl ist nur ein Teil des Dynamikbereichs , der eigentlichen Begrenzung der Leistung von Signalverarbeitungssystemen. Der Dynamikbereich ergibt sich aus dem maximalen Signalpegel abzüglich der Rauschzahl.

Wenn die Rauschzahl allein angegeben wird, treffen wir normalerweise einige Annahmen über die Signalpegel. Diese Annahmen können gültig sein, sind es aber manchmal nicht.

Wenn wir für das Frontend eines empfindlichen Empfängers davon ausgehen, dass der Signalpegel klein ist, dann ist die Rauschzahl das einzige, worüber wir uns Sorgen machen müssen. Wenn der Signalpegel Stufe für Stufe ansteigt, nimmt der „Headroom“ zwischen dem Signal und dem hinzugefügten Rauschen zu, sodass wir in späteren Stufen mit mehr Signal mehr hinzugefügtes Rauschen tolerieren können.

Hier ist ein Rauschdiagramm von Signal Chain Explorer. Die 3 OpAmps haben eine Verstärkung von 10,10,10. Die Gain-Set-Widerstände und die interne Rnoise_density werden um 100 hochskaliert. Beachten Sie, dass die Rauschbeiträge genau gleich sind. Insgesamt sind es 9,4 uV

Hier ist das Schema

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Hier ist ein ungleichgewichtetes Low-Noise-Design: immer noch 10-fache Verstärkung pro Stufe, aber die Widerstände werden um 10 hochskaliert: 10 Ohm, 100 Ohm, 1 kOhm. Das Gesamtrauschen beträgt 6,4 uV.

Somit ist dieser Stufengewinn Ihr Freund, Ihr Freiheitsgrad.

Zeit für ein geräuscharmes Design, bei dem die ERSTE STUFE DOMINIERT. Angenommen, Sie benötigen eine Rauschdichte von 1 Nanovolt/RtHz (60 Ohm Rnoise). Weisen Sie der ersten Verstärkungsstufe insgesamt 40 Ohm zu. [Wir verwenden 20 Ohm ReferredToInput für die 2. Stufe, 1 Ohm RTI für die 3.] Und stellen Sie diese erste Stufe auf eine Verstärkung von 5 ein.

Beachten Sie, dass die 2. Stufe 1/25 des Einflusses auf das Front-End-Rauschen hat. Sie können in dieser 2. Stufe 20 Ohm * 25 == 500 Ohm Gesamtrauscherzeugung haben. Richten Sie diese 2. Stufe für einen Gewinn von 10 ein.

Beachten Sie, dass die 3. Stufe 1/100 * 1/25 = 1/2.500 der Auswirkung auf die 1. Stufe hat. Wir haben unser Front-End-Rauschbudget aufgebraucht: 60 Ohm = 40 + 20. Entwerfen Sie die 3. Stufe für Gesamtrauschwiderstände von 1.000 Ohm. Diese skalieren in der ersten Stufe um 1.000/2.500 oder weniger als 1 Ohm herunter.

Übrigens können Sie mit dem kostenlosen Tool Signal Chain Explorer an diesen Effekten basteln. Finden Sie SCE auf robustcircuitdesign.com und lassen Sie uns wissen, wie Sie es verwenden.

Ein weiteres Beispiel: Richten Sie die Signalkette ein als

1) ein Operationsverstärker mit Rnoise von 30 Ohm, Rg von 8 Ohm und Rfb von 32 Ohm (Verstärkung = 5)

2) einige Operationsverstärker mit Rnoise von 400 Ohm, Rg von 90 Ohm und Rfb von 909 Ohm (Verstärkung = 10)

3) einige Operationsverstärker mit Rnoise von 900 Ohm, Rg von 90 Ohm und Rfb von 909 Ohm (Verstärkung = 10)

Sie fragen sich vielleicht, warum der LowPassFilter auf dem Ausgangsknoten. Notwendig für identische Rauschbeiträge, da das hochfrequente Rauschen der ersten Stufe anders gefiltert wird als Stufe 3, es sei denn, wir beschränken das hochfrequente Rauschen künstlich.