Детали реализации
Для наилучшего подавления электромагнитных помех площадь контура, образованного элементами R1, C1 и R3, должна быть сведена к минимуму (Рисунок 3). Кроме того, элементы R1 и C1 должны быть очень хорошо экранированы от электрических полей, что будет обсуждаться далее в разделе «Рассмотрение электромагнитных помех». Хотя это и не критично, резистор R1 следует защитить от больших перепадов температуры. При этом хорошая защита от электромагнитных помех часто одновременно оказывается достаточной тепловой защитой.
 |
|
| Рисунок 3. | Расположение компонентов на плате генератора шума. |
Следует избегать нахождения синфазного входного напряжения в произвольной рабочей точке rail-to-rail диапазона, поскольку это может привести к более высоким и менее стабильным шумам. Для достижения наилучших результатов используйте для V+ не менее 1.1 В при входном синфазном напряжении, равном нулю.
Обратите внимание, что 10 кОм может показаться большим значением для сопротивления RS, но микромощный усилитель LTC2063 имеет высокое выходное сопротивление, и даже 10 кОм не полностью развязывают LTC2063 от емкости нагрузки на его выходе. Но некоторая выходная емкость, приводящая к появлению выбросов на частотной характеристике, для данной схемы генератора белого шума может быть скорее особенностью конструкции, чем опасностью.
К выходу усилителя подключен резистор RS сопротивлением 10 кОм и конденсатор CX на землю емкостью 50 нФ. Конденсатор CX будет взаимодействовать со схемой LTC2063, что приведет к некоторому выбросу частотной характеристики. Этот выброс можно использовать для расширения плоской области частотной характеристики генератора, примерно так же, как с помощью фазоинверторов в громкоговорителях пытаются расширить диапазон низких частот. Предполагается, что нагрузка высокоомная (более 100 кОм), поскольку низкое сопротивление нагрузки значительно снизит уровень выходного сигнала и также может повлиять на возникновение выбросов.
Дополнительная настройка
Несколько параметров микросхемы (например, выходное сопротивление и произведение усиления на полосу пропускания) влияют на равномерность частотной характеристики в области высоких частот. При отсутствии доступа к анализатору сигналов рекомендуемое значение CX составляет 47 нФ, что обычно обеспечивает ширину полосы пропускания от 200 до 300 Гц (по уровню –1 дБ).
Тем не менее, CX можно оптимизировать как для равномерности характеристики, так и для ширины полосы пропускания, при этом типичное значение CX составляет от 30 нФ до 50 нФ. Для более широкой полосы пропускания и большего выброса используйте CX меньшей емкости. Для более демпфированного отклика используйте CX большей емкости.
Критические параметры микросхемы связаны с током потребления операционного усилителя, и для компонентов с низким потребляемым током может потребоваться несколько большая емкость CX, в то время как в случае большого тока потребления для достижения более широкой плоской полосы пропускания, скорее всего, потребуется менее 30 нФ.
Приведенные здесь графики показывают, как значения емкости CX влияют на частотную характеристику системы с замкнутым контуром обратной связи.
Измерения
На Рисунке 4 представлена плотность выходного шума для различных значений CX (при RS = 10 кОм, и напряжении питания VSUPPLY = ±2.5 В). Выходной RC-фильтр эффективно устраняет помехи от тактового генератора усилителя. На графике показана зависимость плотности выходного шума от частоты для значений емкости, равных 0, 2.2 нФ, 10 нФ, 47 нФ и 68 нФ.
 |
|
| Рисунок 4. | Плотность выходного шума схемы на Рисунке 1. |
При CX = 2.2 нФ характеристика демонстрирует умеренный выброс, в то время как наибольшего уровня он достигает при CX = 10 нФ, постепенно уменьшаясь с ростом CX. Кривая для CX = 68 нФ не имеет выбросов, но имеет заметно меньшую полосу плоской характеристики. Наилучший результат получен для CX ≈ 47 нФ; при этом помехи от тактового генератора микросхемы на три порядка ниже уровня сигнала. Из-за ограниченного разрешения по вертикали невозможно с высокой точностью оценить равномерность зависимости выходной амплитуды от частоты. Этот график был получен при питании от батареи ±2.5 В, хотя конструкция позволяет использовать две «таблеточные» батарейки (примерно ±1.5 В).
На Рисунке 5 показана та же характеристика равномерности в более крупном масштабе по оси Y. Для многих приложений достаточно неравномерности в пределах 1 дБ, а значение менее 0.5 дБ является образцовым. Здесь лучше всего подходит CX = 50 нФ (RS = 10 кОм, VSUPPLY = ±1.5 В), хотя допустимо и 45…55 нФ.
 |
|
| Рисунок 5. | Плотность выходного шума схемы на Рисунке 1 в увеличенном масштабе. |
Измерения неравномерности с высоким разрешением требуют времени; для этого графика (от 10 Гц до 1 кГц, 1000 усреднений) – порядка 20 минут на каждую кривую. В стандартном решении используется CX = 50 нФ. Графики, показанные для 43 нФ, 47 нФ и 56 нФ (все емкости с допуском меньше 0.1%) показывают небольшое, но видимое отклонение от наилучшей равномерности. Оранжевая кривая для CX = 0 была добавлена, чтобы показать, что выброс увеличивает ширину плоской области частотной характеристики (с 230 Гц до 380 Гц для отклонения в 0.5 дБ).
Вероятно, самым простым решением для получения точного значения 50 нФ является последовательное соединение двух конденсаторов 0.1 мкФ с диэлектриком C0G. Конденсаторы 0.1 мкФ C0G 5% 1206 легко приобрести у Murata, TDK и Kemet. Другой вариант – 47 нФ C0G (1206 или 0805); этот конденсатор меньше, но может быть не так широко доступен. Как уже говорилось ранее, оптимальное значение емкости CX зависит от фактических параметров микросхемы.
Также проверялась зависимость равномерности от напряжения питания (Рисунок 6). Стандартное питание схемы – ±1.5 В. При изменении напряжения питания до ±1.0 В или ±2.5 В наблюдается небольшое изменение выброса, а также небольшое смещение плоского уровня (из-за изменения плотности шумов при доминировании теплового шума). Во всем диапазоне напряжений питания как выброс, так и плоский уровень изменяются примерно на 0.2 дБ. График показывает хорошую стабильность и равномерность амплитуды при питании схемы от двух небольших батареек.
 |
|
| Рисунок 6. | Плотность выходного шума при различных напряжениях питания. |
Для этого прототипа при напряжении питания ±1.5 В неравномерность сохранялась в пределах 0.5 дБ до частоты порядка 380 Гц. При напряжении питания ±1.0 В неравномерность и выброс слегка увеличиваются. В диапазоне напряжений питания от ±1.5 В до ±2.5 В уровень выходного сигнала заметно не изменяется. Общий пиковый (или среднеквадратичный) уровень выходного сигнала зависит от фиксированной плотности 10 мкВ/√Гц, а также от полосы частот. Размах выходного сигнала составляет приблизительно 1.5 мВ. На некоторых очень низких частотах (диапазона мГц) плотность шума может превышать указанные 10 мкВ/√Гц. На этом прототипе было проверено, что при 0.1 Гц плотность шума все еще остается равномерной на уровне 10 мкВ/√Гц.
В зависимости стабильности от температуры преобладает тепловой шум, поэтому при температуре 22 (±6) °C изменение амплитуды составляет ±1%, что едва заметно на графике.
Рассмотрение электромагнитных помех
В качестве экрана в прототипе используется небольшой кусок медной фольги с каптоновой изоляцией. Эта фольга обернута вокруг входных компонентов (10 МОм + 22 пФ) и припаяна к земле с обратной стороны печатной платы. Изменение положения фольги существенно влияет на чувствительность к электромагнитным излучениям и риск возникновения низкочастотных выбросов на частотной характеристике. Эксперименты показывают, что появляющиеся иногда низкочастотные выбросы вызваны электромагнитными помехами, и что выбросы можно устранить с помощью очень хорошего экранирования. В лабораторных условиях прототип дает чистый отклик без дополнительного экранирования мю-металлами. Анализатор спектра не показывает ни сетевых наводок, ни каких-либо других посторонних выбросов. Если в сигнале виден избыточный шум, может потребоваться дополнительная защита от электромагнитных помех.
При использовании вместо батареек внешнего источника питания в сигнал легко может добавиться синфазный ток. Рекомендуется подключать землю прибора одножильным проводом и использовать синфазный дроссель в проводах питания генератора.
Ограничения
Всегда есть приложения, которым требуются более широкополосные сигналы, например, полный звуковой диапазон или ультразвуковой диапазон. Более широкая полоса пропускания при токе питания в несколько микроампер нереальна. При верхней частоте плоской характеристики примерно от 300 Гц до 400 Гц схема на основе шума резистора с усилителем LTC2063 может быть полезна для тестирования некоторых приборов на частоте сети 50 Гц/60 Гц, например, для геофонов. Этот диапазон подходит для тестирования различных приложений, работающих на очень низких частотах (например, сенсорных систем), поскольку рабочий диапазон частот генератора начинается со значений менее 0.1 Гц.
Уровень выходного сигнала мал (меньше 2 мВ пик-пик). Последующая микросхема LTC2063, сконфигурированная как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления пять, и дополнительный выходной RC-фильтр, могут обеспечить на выходе столь же хорошо контролируемый плоский широкий шумовой спектр до 300 Гц с большей амплитудой. В случае, когда полоса частот замкнутого контура обратной связи не оптимизируется для ее расширения, конденсатор, включенный параллельно резистору обратной связи, может снизить общую полосу устройства. Тогда влияние RS и CX на границе частотного диапазона контура будет меньше или даже пренебрежимо малым.
Заключение
Описанный здесь генератор белого шума – небольшой, но необходимый инструмент. В НЧ приложениях, где длительное время измерений – это норма, простое, надежное, карманное устройство, способное практически мгновенно определять характеристики схемы, является желанным дополнением к набору инструментов инженера. В отличие от сложных приборов с многочисленными настройками, этот генератор не требует руководства пользователя. Его конструкция отличается низким током потребления, что очень важно для работы от батарей при длительных измерениях на очень низких частотах. Когда ток потребления очень мал, нет необходимости в выключателях питания. Генератор, работающий от батарей, также предотвращает возникновение синфазных токов.
Ключом к соблюдению ограничений этого проекта является малопотребляющий операционный усилитель с нулевым дрейфом LTC2063. Его характеристики позволяют использовать шум, генерируемый резистором, усиленный простой неинвертирующей схемой операционного усилителя.
