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Analogtechnik Eigenrauschen in Operationsverstärkern, Teil 2

Autor / Redakteur: Art Kay * / Kristin Rinortner

In diesem Artikel geht es um das Messen niederfrequenten Rauschens mit extrem niedrigen Grenzfrequenzen von z.B. 10 µHz und die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Ergebnisse der Rauschmessung.

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Operationsverstärker: Messen des niederfrequenten Rauschens
Operationsverstärker: Messen des niederfrequenten Rauschens
(Bild: VBM-Archiv)

In den meisten Datenblättern ist niederfrequentes Rauschen in einem Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz angegeben. Messungen extrem niedriger Frequenzen machen die AC-Kopplung des Signals unmöglich, da die Werte der Komponenten außerhalb nutzbarer Bereiche liegen. Bild 1 zeigt eine Schaltung mit DC-Kopplung, die zur Messung des niederfrequenten Rauschens verwendet werden kann. Je nach Rauschpegel des zu testenden Verstärkers muss die Verstärkung angepasst werden.

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Das Rauschen wird auf einen Pegel verstärkt, der ohne weiteres auf einem Oszilloskop abgelesen werden kann. Die Verstärkung der ersten Stufe sollte mindestens 10 betragen. Dadurch dominiert das Rauschen der ersten Stufe. Ein Problem dieser Schaltung besteht darin, dass auch der Offset des Verstärkers verstärkt wird. In diesem Beispiel wird der Offset auf 2 V DC verstärkt. Dadurch wird die Messung des Rauschens im betreffenden Bereich unmöglich. Mit der in Bild 2 dargestellten Schaltung kann dieser Offset korrigiert werden.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Messung des niederfrequenten Rauschens besteht darin, dass die temperaturabhängige Drift des Offsets sehr stark dem 1/f-Rauschen ähnelt und daher die Messergebnisse beeinträchtigen kann.

Umgebungstemperatur beeinflusst die Rauschmessung

Bild 3 zeigt das Rauschen und die Offsetdrift des OPA336 in einem Zeitraum von 10.000 s. Während dieser Messung änderte sich die Umgebungstemperatur im Labor um 2 °C.

Diese geringe Schwankung der Raumtemperatur hatte einen erheblichen Einfluss auf das Ausgangssignal. Um dem entgegenzuwirken muss die gleiche Messung mit einer präzisen Temperaturregelung, zum Beispiel mit einer Wärmekammer, durchgeführt werden.

Bei Zero-Drift-Verstärkern tritt temperaturabhängige Offset-Drift in erheblich geringerem Umfang auf. Bild 4 zeigt Rauschmessungen, die ohne Temperaturregelung durchgeführt wurden, die Umgebungstemperatur im Labor änderte sich wieder um 2 °C, dies ist im Messergebnis nicht zu erkennen. Die äußerst geringe Temperaturdrift des Zero-Drift-Verstärkers ist einer der Hauptvorteile dieser Technologie.

Messen des effektiven Rauschens

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei der Rauschmessung ist, dass der Effektivwert des Rauschens und nicht der Spitze-Spitze-Wert des Rauschens gemessen wird. Dieser ist zwar eine gute Näherung, reicht aber für exakte Ergebnisse nicht aus. Das Problem ist, dass die Anzahl der Abtastwerte einen großen Einfluss auf den Spitze-Spitze-Messwert haben kann. Es sei daran erinnert, dass sich der Spitze-Spitze-Wert abschätzen lässt, indem die Standardabweichung mit 6 multipliziert wird.

Mathematisch bedeutet dies, dass 99,7% der Werte innerhalb des Spitze-Spitze-Wertes liegen und nur 0,3% des Rauschens außerhalb dieses Bereiches. Steigert man die Anzahl der Abtastungen, erhöht sich auch die Anzahl der Fälle, in denen der gemessene Wert außerhalb der Sechs-Sigma-Abschätzung liegt.

Der Gleichstromanteil wird nicht mit gemessen

Abschließend soll im Zusammenhang mit der Messung des Rausch-Effektivwertes darauf hingewiesen werden, dass der Gleichstromanteil (also alle Werte bei einem Mittelwert von 0) nicht in die Rauschmessung einbezogen wird.

Der einfachste Weg um diesen Mittelwert zu beseitigen, besteht darin, die Standardabweichung des Signals anstelle des Effektivwerts zu berechnen. Die Standardabweichung ist mathematisch definiert als Effektivwert mit dem Mittelwert null. Die meisten Digitaloszilloskope können die Messergebnisse als Tabelle speichern. In der Tabellenkalkulation können dann Gleichungen zum Berechnen der Standardabweichung verwendet werden. Einige Digitaloszilloskope enthalten einen mathematischen Operator, mit dem sich der Effektivwert ermitteln lässt.

Danksagung

Mein besonderer Dank gilt den folgenden Mitarbeitern von Texas Instruments für ihre technische Unterstützung: Rod Burt, Senior Analog IC Design Manager, Joy Zhang, Analog IC Design Engineer, Bruce Trump, Manager Linear Products und Tim Green, Applications Engineering Manager.

* Arthur (Art) Kay ist Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Dallas / USA.

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