Реле Tianbo - ресурс 10 млн переключений
РадиоЛоцман - Все об электронике

Измерение шума настольными приборами

Texas Instruments OPA211 OPA376

Самая большая проблема при точных измерениях шума заключается в том, что уровень шума, который нужно оценить, часто бывает ниже чувствительности измерительных приборов. Основной метод измерения шумов прецизионных операционных усилителей заключается в их расчете на основе результатов измерений. «Постусилитель» повышает шум операционного усилителя, так что он становится видимым с помощью обычных настольных приборов.

Пленочные конденсаторы Hongfa для построения AC/DC- и DC/AC-преобразователей

Прецизионные операционные усилители, облегчающие измерения низкоуровневых сигналов, все чаще используются для обработки сигналов датчиков в медицинских приложениях, схемах датчиков Интернета вещей и контрольно-измерительных приборах. В идеале усилитель должен иметь высокий коэффициент усиления, широкую полосу пропускания, очень низкое входное смещение, отсутствие дрейфа и собственных шумов. Опытные разработчики аналоговой электроники сразу поймут, в чем заключается компромисс: получить широкую полосу пропускания сигнала для точных измерений будет сложно, а большой коэффициент усиления, вместе с полезным сигналом, скорее всего, усилит шумы схемы.

Процесс оценки и измерения шума должен учитывать все дополнительные компоненты схемы, включая резисторы. Чтобы рассчитать шум для схемы операционного усилителя, необходимо знать напряжение шумов операционного усилителя, плотность токового шума, частоту излома спектральной характеристики шума 1/f, интересующий диапазон частот и все другие источники шумов (включая шумы резисторов). Для прецизионных приложений с операционными усилителями нужно устранить в схемах все источники шума. Некоторые из них малозаметны, некоторые очевидны. Необходимо устранить все источники электрических помех и создать хорошо экранированную среду (многие поставщики рекомендуют использовать клетку Фарадея). В одном из методов, описанном в этой статье, используется «постусилитель» для повышения уровня шума тестируемого усилителя, чтобы его было легче фиксировать с помощью анализатора спектра, осциллографа или других настольных приборов.

Плотность напряжения шумов указывается в нВ/√Гц (нановольт на корень квадратный из частоты измерения, обычно 1 кГц), тогда как плотность тока и шума обычно выражается в единицах пА/√Гц. Инженеры должны учитывать изменения рабочей частоты, поскольку уровень шума, как правило, зависит от частоты. Электрические помехи (включая шум двигателя или пульсации импульсного источника питания) будут находиться в нижней части частотного спектра.

Следовательно, на графике спектра шума следует рассматривать две отдельные области. Одна из них – высокочастотная часть кривой, где шум прерывистый и в целом независим от частоты. На графике шума он будет выглядеть затухающим. Другая область – это низкочастотная часть кривой, где обычно присутствует частотно-зависимый шум 1/f (часто называемый «фликкер-шумом»). Шум 1/f – это минимальный уровень шума (представьте его как «шипение ленты» в схеме аудиоусилителя).

Частота шумов для схемы операционного усилителя (среднеквадратичное значение) рассчитывается на основе частотного спектра (наивысшая измеренная частота, наименьшая измеренная частота) и фликкер-шума на частоте излома. Для такого измерения выходной шум схемы нужно привести к входам, закоротив входы на землю (например, через резистор с нулевым сопротивлением). Чтобы получить уровень выходного шума для схемы операционного усилителя, входной шум усилителя умножается на коэффициент усиления шума тестовой схемы.

Выходной шум = Общий шум × Усиление шума.

Увеличение коэффициента усиления шума испытательной схемы делает общий шум тестируемого операционного усилителя более доступным для лабораторных измерений.

Методы увеличения уровня шума

Для прецизионных операционных усилителей пытаются оценивать частотно-зависимые шумы напряжения и тока вплоть до 0.1 Гц. Это требует выполнения измерений величин порядка нановольт и фемтоампер. Проблема в том, что измерительные приборы (например, осциллографы и анализаторы цифрового сигнала или аналогового спектра) не всегда обеспечивают динамический диапазон, необходимый для измерения очень малых уровней шума. Нужно уменьшить шум усилителей на измерительном щупе и поднять уровень шума операционного усилителя, который требуется измерить.

Производители прецизионных операционных усилителей, такие как Texas Instruments, предлагают различные аппаратные и программные средства для определения влияния шума на их прикладные схемы. Например, учебная серия «TI Precision Labs – Op Amps» [1] включает девять видеороликов, которые объясняют, как прогнозировать шумы операционных усилителей с помощью расчетов и моделирования, а также как точно измерять шум.

Существует два основных метода определения шума тестируемого операционного усилителя, один из которых в значительной степени зависит от программного обеспечения, а другой больше ориентирован на аппаратные измерения:

  • В одном случае используется множество математических вычислений для определения взаимной корреляции случайных шумов и использования ее для математического удаления коррелированных шумовых продуктов. Многие производители прецизионных операционных усилителей предоставляют программы моделирования шумов в схемах операционных усилителей.
  • В других случаях фактически создается измерительная платформа – испытательная установка, случайный шум которой, по крайней мере, на 10 дБ ниже, чем у тестируемого устройства.

Использование постусилителя

Схема постусилителя может усилить выходной шум тестируемого устройства, чтобы его можно было измерить с помощью стандартного тестового оборудования. Эта схема предназначена для усиления низкочастотного шума (от 0.1 до 10 Гц) до уровня, который легко измерить с помощью осциллографа. Фильтр верхних частот в тестовой схеме отсекает все, что ниже 0.1 Гц, а фильтр нижних частот отсекает все, что выше 10 Гц. Уровень шума, измеренный в диапазоне от 0.1 до 10 Гц, является общепринятой характеристикой, включаемой в технические описания прецизионных усилителей. На Рисунке 1 показана типичная схема прецизионного усилителя.

Измерение шума настольными приборами
Рисунок 1. Схема постусилителя повышает уровень шума тестируемого устройства. Если замкнуть входы
тестируемого устройства на землю, то на входе постусилителя появится плотность шума
тестируемого усилителя. (Усиление усилителя шума задается резисторами RG и RF; в данном случае
оно равно 100).

В этом примере для демонстрации чувствительности установки в качестве тестируемого устройства используется усилитель OPA376 компании Texas Instruments. OPA376 имеет низкий уровень шумов напряжения – порядка 7.5 нВ/√Гц на частоте 1 кГц и 0.8 мкВ пик-пик в полосе от 0.1 Гц до 10 Гц. Произведение его коэффициента усиления на полосу пропускания весьма большое для прецизионного усилителя (5.5 МГц); его ток покоя составляет всего 760 мкА (типовое значение), а входное напряжение смещения – 5 мкВ (тип.).

При уровне шума OPA376 всего 7.5 нВ/√Гц сложно найти настольный прибор, который был бы лучше по этому показателю. Но вы же не хотите потерять измерения на анализаторе спектра с уровнем шума (скажем) 10 нВ/√Гц. Чтобы спуститься ниже этого значения, требуется постусилитель, т. е. усиление шума до уровня, при котором его можно количественно оценивать и визуализировать.

Постусилитель реализован на микросхеме OPA211, собственный уровень шума которой составляет 1.1 нВ/√Гц. OPA211 имеет широкую полосу пропускания и низкую спектральную плотность шумов. Погрешность из-за ограничений характеристик измерительного оборудования может быть значительной. Поэтому для достижения наилучших результатов измерений уровень шума тестируемого устройства должен быть как минимум в 3 раза выше, чем у анализатора спектра.

Схема постусилителя аналогична прикладной схеме, используемой в качестве тестируемого устройства. Резисторы RF и RG устанавливают усиление постусилителя. Каскад постусилителя усилит шум до уровня, на котором его можно будет легко измерить с помощью анализатора спектра или осциллографа. В этом примере для простоты масштабирования усиление постусилителя установлено равным 100 В/В. При установке усиления тестируемого устройства равным 10 эффективный коэффициент усиления шума составляет 1000.

Общий вклад шума резистора составляет около 0.4 нВ/√Гц. Это немного по сравнению со спектральной плотностью шумов напряжения усилителя OPA211, которая в два раза больше. На Рисунке 2 показана частотная зависимость выходного шума тестируемого устройства в сравнении с выходным шумом постусилителя (VSPECT).

Измерение шума настольными приборами
Рисунок 2. Схема постусилителя повышает уровень шума тестируемого устройства
в 100 раз. Это позволяет воспроизвести спектр шума тестируемого
операционного усилителя (VOUT_DUT) на входе анализатора спектра (VSPECT).
Став известным, этот спектр становится предсказуемым условием для
определения характеристик прецизионного усилителя.

Если заземлить вход испытательной установки (входной сигнал равен нулю), то на выходе в принципе будет шум тестируемого устройства – в данном случае менее 100 нВ/√Гц в полосе от 100 Гц до 500 кГц. Спектральная плотность выходного шума (большая его часть) уходит в область ниже 100 Гц.

Ссылки

  1. Precision labs series: Op amps

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments OPA211
  2. Datasheet Texas Instruments OPA376

Electronic Design

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Add noise measurements to your benchtop tools

47 предложений от 29 поставщиков
Интегральные микросхемы Аналоговая техника — усилители — инструменты, ОУ (операционные), буферные
Контест
Россия
OPA211AIDRGT
2.04 ₽
LIXINC Electronics
Весь мир
OPA211AIDGKTG4
Texas Instruments
8.73 ₽
AiPCBA
Весь мир
OPA211AIDGKR
Texas Instruments
438 ₽
Augswan
Весь мир
OPA211SKGD1
Texas Instruments
по запросу
Электронные компоненты. Скидки 15%, кэшбэк 15% и бесплатная доставка от ТМ Электроникс
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя