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

Piense en las ganancias de las entradas de cada etapa a la salida. Esto supone 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 general de 2000, donde la primera etapa tiene una ganancia de voltaje de 10 y produce una salida de baja impedancia. La señal que sale de esa etapa (y hacia 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 capacitor relativamente pequeño, generalmente muy por debajo de 100 pF. La impedancia de la señal forma un divisor de tensión con este condensador. Cuanto menor es la impedancia de la señal, más se atenúa el mismo ruido acoplado capacitivamente al llegar a esa señal.

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

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

En un generador de señales, donde un atenuador suele ser parte de la cadena de señales, la figura de ruido se vuelve más significativa más adelante en la cadena.

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

Cuando la cifra de ruido se cita por sí sola, generalmente estamos haciendo algunas suposiciones sobre los niveles de la 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 figura de ruido es lo único de lo que debemos preocuparnos. A medida que el nivel de la señal aumenta etapa por etapa, aumenta el "margen" 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 diagrama de ruido de Signal Chain Explorer. Los 3 OpAmps tienen una ganancia de 10,10,10. Las resistencias de conjunto de ganancia y la Rnoise_density interna se aumentan en 100. Observe que las contribuciones de ruido son exactamente iguales. El total es 9,4 uV

Aquí está el esquema

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Aquí hay un diseño de bajo ruido ponderado de manera desigual: todavía se 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 amiga, tu grado de libertad.

Es hora de correr por un diseño silencioso, donde DOMINA LA PRIMERA ETAPA. Suponga que necesita una densidad de ruido de 1 nanovoltio/RtHz (60 ohmios Rruido). Asigne un total de 40 ohmios a la primera etapa de ganancia. [usaremos 20 ohmios Referido a la entrada para la segunda etapa, 1 ohmio RTI para la tercera] Y configure esa primera etapa para una ganancia de 5.

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

Note que la 3ra etapa tiene 1/100 *1/25 = 1/2,500 el impacto en la 1ra etapa. Utilizamos nuestro presupuesto de ruido frontal: 60 ohmios = 40 + 20. Diseñe la tercera etapa para resistencias de ruido total de 1000 ohmios. Esos se reducen en 1000/2500 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 señal como

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

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

3) algo de opamp, con Rnoise de 900 ohms, Rg de 90 ohms y Rfb de 909 ohm (ganancia=10)

Puede preguntarse por qué 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 restrinjamos artificialmente el ruido de alta frecuencia.