模拟电路噪声分析入门：Multisim仿真操作指南-洪萨配资

模拟电路噪声分析入门：从零开始掌握Multisim实战技巧

你有没有遇到过这样的情况？精心设计的放大电路，理论上增益完美、频率响应平直，可一接上示波器，输出端却“沙沙”作响——明明没有输入信号，电压却像心跳一样随机跳动。这不是故障，而是噪声在说话。

在高精度测量系统中，比如脑电图（EEG）前端、精密称重传感器或音频前置放大器，真正决定系统极限性能的，往往不是增益或带宽，而是那个看不见摸不着的敌人：本底噪声。它决定了你能“听到”多微弱的声音，能“看到”多细微的变化。

对于初学者来说，噪声是个抽象又棘手的话题。公式一堆，单位奇怪（nV/√Hz？），还分好几种类型……光看书容易晕。这时候，一个强大的仿真工具就成了你的“显微镜”。今天我们就用NI Multisim，带你一步步揭开模拟电路噪声的面纱，把教科书里的概念变成屏幕上看得见的曲线。

噪声到底是什么？别被术语吓住

先别急着打开软件，咱们得搞清楚对手是谁。

想象一条安静的小河，水面本该平静如镜。但即使无风，水面上仍有细小的涟漪——这是水分子自己在动。电路里的噪声，本质上也类似：它是电子世界里永不停歇的“热舞”。

三种最常见的“舞者”

热噪声（Thermal Noise）——最公平的舞者
所有电阻，无论贵贱，只要温度高于绝对零度，内部的电子就在做无规则热运动，产生随机电压波动。它的特点是：
-频谱平坦：从直流到高频都存在，俗称“白噪声”。
-只和电阻值与温度有关：公式是 $ v_n = \sqrt{4kTR\Delta f} $。注意，噪声电压和电阻的平方根成正比。想降噪？别用1MΩ电阻当反馈！
散粒噪声（Shot Noise）——跳跃的电子
当电流流过PN结（比如二极管、三极管），电子不是一个一个匀速过去的，而是“蹦”过去的，这种离散性就带来了电流抖动。它和直流电流大小直接相关：$ i_n = \sqrt{2qI\Delta f} $。电流越大，噪声也越大。
1/f 噪声（Flicker Noise）——低频捣蛋鬼
这个最讨厌，专在低频段闹事。频率越低，它越强（功率谱密度 ∝ 1/f）。对音频和生物电信号处理简直是噩梦。MOS管比双极型晶体管更严重。选运放时看数据手册的“1/f转折频率”，越低越好。

其他像爆裂噪声（Popcorn Noise）现在工艺好了基本见不到了。我们重点对付前三个。

为什么非要用Multisim做噪声分析？

理论计算当然可以，但现实电路复杂得多。一个运放内部就有几十个等效噪声源，还有分布参数、寄生电容……手工算到崩溃。

而Multisim 的噪声分析功能，就像给你配了个全自动频谱仪+超级计算器：

它能在设定的频率范围内（比如1Hz到1MHz），逐点计算每个噪声源（每个电阻、每个晶体管）对输出的贡献；
自动把所有源的噪声按“平方和开根”（RSS）叠加，给出总的输出噪声密度曲线；
更神的是，它还能告诉你：“嘿，你这个99kΩ的反馈电阻，贡献了15%的噪声，考虑换小点吗？”——这就是噪声贡献分解。

这能力，实物调试时靠示波器根本做不到。

动手实战：同相放大器的噪声体检报告

我们来诊断一个常见的“病人”：增益为100的同相放大电路。

电路长什么样？

运放：用Multisim自带的OPAMP_3T_VIRTUAL（教学够用，实际项目建议换真实模型）
电阻：Rg = 1kΩ，Rf = 99kΩ → 增益 = 1 + 99k/1k = 100
输入端接地（测本底噪声）
电源：±15V

目标很明确：看看这个电路自己“哼”出来的噪声有多大，谁是主要“噪音源”。

四步走，生成噪声谱

搭电路
把运放、两个电阻、电源连好，输入接地。确保没短路、没悬空引脚。
跑DC工作点
点菜单Simulate → Analyses → DC Operating Point。这一步是必须的！因为噪声分析基于小信号模型，得先知道电路的静态偏置是否正常。如果运放都饱和了，噪声分析结果毫无意义。
启动噪声分析
菜单 →Simulate → Analyses and Simulation→ 选Noise Analysis。

关键参数设置如下：
-Output node：选运放的输出引脚（比如#003）
-Reference node：0（地）
-Source：选输入端节点（即使接地也要选，用于归一化到输入端）
-Sweep Type：Decade（十倍频扫描）
-Frequency Range：Start=1 Hz, Stop=1 MHz, Points per decade=10
- ✅ 勾上Compute noise contribution from...（要看谁在捣鬼）

看结果

点击运行，弹出结果窗口。你会看到一条典型的噪声密度曲线：

中频段（比如1kHz以上）是一条水平线，主要是运放的电压噪声和电阻热噪声；
低频段（<1kHz）曲线上翘，那是1/f噪声在发威；
右侧可能有个积分结果：Total Noise RMS，比如 150μV。

勾选“Plot total noise”还能看到累计RMS噪声随带宽增加的趋势。

如何读懂这份“体检报告”？

1. 输出噪声 vs 等效输入噪声

Multisim 默认显示的是输出端噪声密度（单位：V/√Hz）。但要比较不同增益电路的“本底素质”，应该看等效输入噪声（EIN）。

软件会自动帮你算：把输出噪声除以电路的增益（这里是100），得到的曲线就是“如果噪声全来自输入端，它该有多大”。

比如你看到 EIN 在1kHz是10nV/√Hz，在10Hz是40nV/√Hz，这就很直观了。拿去和数据手册对标，立刻知道这运放行不行。

2. 谁是噪声大户？——贡献分解表

结果窗口里有个表格，列出每个元件对总噪声的贡献百分比。

常见发现：
- 运放自身：70%~90%
- 反馈电阻Rf：10%~20%
- 输入电阻Rg：很小，因为它阻值小

如果你看到某个电阻贡献特别高，比如用了1MΩ反馈，那赶紧换！热噪声和√R成正比，1MΩ比1kΩ大31.6倍！

实战案例：如何把噪声从40降到6 nV/√Hz？

曾有个学生做心电信号放大，要求输入噪声 ≤ 10 nV/√Hz @ 10Hz。他用LM741搭了个增益100的电路，仿真一跑，EIN高达40 nV/√Hz @ 10Hz，超标四倍！

怎么办？

第一步，看贡献分解：运放占85%，电阻占15%。说明问题出在“芯”上，不是“外围”。

第二步，换“心脏”——换运放。LM741是老古董，1/f噪声大。换成AD797这类低噪声运放（典型输入噪声0.9nV/√Hz，1/f转折频率仅2Hz）。

重新仿真——搞定！EIN降到6 nV/√Hz @ 10Hz，达标！

这说明什么？在低频精密应用中，器件选型比电路拓扑更重要。再好的电路，配上烂运放，也是白搭。

设计低噪声电路的几条铁律

通过仿真实践，我们可以总结出一些黄金法则：

经验法则	解释
优先选低噪声运放	查数据手册的“Input Voltage Noise Density”曲线，重点关注你要用的频段（尤其是低频）
别滥用大电阻	热噪声 ∝ √R，反馈网络尽量控制在100kΩ以下；必要时可用T型网络降阻
带宽越窄越好	总噪声RMS ∝ √(带宽)，加个简单的RC低通滤波器，能大幅降低积分噪声
重视电源退耦	虽然仿真不体现，但实测中电源噪声会直接串入，每颗运放电源脚都要加0.1μF陶瓷电容
虚拟模型有局限	教学用OK，但真实项目务必下载TI、ADI官网提供的SPICE模型，否则误差大