Operationsverstärkerschaltungen optimieren - Teil 5 Eigenrauschen in Operationsverstärkerschaltungen

Autor / Redakteur: Art Kay, Katharina Berberich* / Kristin Rinortner

In den Teilen 3 und 4 wurde das Rauschen in Operationsverstärkerschaltungen erst manuell und dann mit Hilfe von TINA SPICE untersucht. Die Ergebnisse lagen dicht beieinander. Im Teil 5 werden Geräte zur Rauschmessung vorgestellt.

Firmen zum Thema

( Archiv: Vogel Business Media )

Echteffektiv-Multimeter zur Rauschbestimmung

Viele Mulimeter errechnen den Effektivwert, indem sie die Spitzenspannung messen und diesen Wert mit 0,707 multiplizieren. Dies sind keine Echteffektiv-Messgeräte, weil sie von einem sinusförmigen Signal ausgehen. Ein Echteffektiv-Messgerät (True RMS Multimeter) hingegen kann den Effektivwert eines nicht sinusförmigen Signals wie z.B. des Rauschens bestimmen.

Echteffektiv-Messungen können mit vielen Präzisions-Digital-Multimetern (DMM) durchgeführt werden. In der Regel geschieht dies durch Digitalisieren der Eingangsspannung und mathematischem Berechnen des Effektivwertes. Im Allgemeinen gibt es bei einem DMM zwei Konfigurationen zum Durchführen dieser Messung: „AC“ und „AC + DC“.

In der Konfiguration „AC“ ist die Eingangsspannung des DMM galvanisch isoliert. Dadurch wird der Gleichspannungsanteil unterdrückt. Dies ist das bevorzugte Verfahren zur Rauschmessung, weil das Messergebnis mathematisch der Standardabweichung des Rauschens entspricht. Die Konfiguration „AC + DC“ sollte bei Messungen des Breitbandrauschens nicht verwendet werden.

Bei einigen DMMs gibt es ein spezielles Messverfahren, das für das Durchführen von Breitbandrauschmessungen optimiert ist. In diesem Modus misst das DMM das Rauschen im Bereich von 20 kHz bis 10 MHz.

Grundrauschen eines Präzisions-DMM

20 µVeff ist ein typischer Wert für das Grundrauschen eines Präzisions-DMM. Das Grundrauschen kann gemessen werden, indem der Eingang des DMM kurzgeschlossen wird. Folgende technische Daten von Echteffektiv-DMMs sind empfehlenswert: Angegebene Bandbreite (B = 20 Hz bis 10 MHz), Genauigkeit 0,1% bei der angegebenen Bandbreite, Grundrauschen 20 µVeff (im 10-mV-Bereich) und die Messbereiche 10 mV, 100 mV bis 1000 V.

Geräte zur Rauschmessung: Oszilloskope

Bild 1: Weißes Rauschen auf einem Analog-Oszilloskop (Archiv: Vogel Business Media)

Zur Messung des Rauschens können sowohl Digital- als auch Analog-Oszilloskope verwendet werden. Bild 1 zeigt das Ergebnis einer Breitbandmessung mit einem Analog-Oszilloskop. Analog-Oszilloskope neigen wegen der phosphoreszierenden Anzeige und der Tatsache, dass sie nicht mit dem Rauschen getriggert werden können, dazu, ein „verwischtes“ Bild zu zeigen. Ein weiterer Nachteil der meisten Standard-Analog-Oszilloskope besteht darin, dass sie kein niederfrequentes Rauschen (1/f-Rauschen) erfassen können.

Digital-Oszilloskope haben einige Vorteile gegenüber den analogen. Sie können das 1/f-Rauschen erfassen und den Effektivwert mathematisch berechnen. Bild 2 zeigt dieselbe Rauschquelle wie in Bild 1, diesmal mit einem Digitaloszilloskop gemessen.

Bild 2: Weißes Rauschen auf einem Digital-Oszilloskop (Archiv: Vogel Business Media)

Es gibt einige Richtlinien, die beim Verwenden eines Oszilloskops zu Rauschmessungen eingehalten werden sollten. Zunächst muss das Grundrauschen des Oszilloskops überprüft werden. Dies kann durch Anschließen einer BNC-Kurzschlusskappe an den Oszilloskopeingang oder bei Verwenden eines 1:1-Tastkopfs durch Kurzschließen der Tastkopfspitze mit dem Masseleiter geschehen.

Bei einem 1:1-Tastkopf ist ein direkter BNC-Anschluss vorzuziehen, weil über die Masseleitung möglicherweise HF-Störungen aufgenommen werden. Eine Möglichkeit, dieses zu vermeiden, besteht darin, die Masseleitung und die Abdeckung des Tastkopfes zu entfernen und den Masseanschluss direkt am Tastkopf zu verwenden.

Funktionen zur Bandbreitenbegrenzung

Bild 3: Grundrauschen des Oszilloskops mit 1:1-Tastkopf und Bandbreitenbegrenzung (Archiv: Vogel Business Media)

An den meisten Oszilloskopen sind Funktionen zur Bandbreitenbegrenzung vorhanden. Zur exakten Messung des Oszilloskoprauschens muss dessen Bandbreite größer als die Rauschbandbreite der Schaltung sein, allerdings -- soweit möglich -- auch nicht viel größer. Als Beispiel wird angenommen, dass ein Oszilloskop eine volle Bandbreite von 400 MHz und bei eingeschalteter Begrenzungsfunktion eine Bandbreite von 20 MHz hat. Bei der Messung des Rauschens in einer Schaltung mit einer Rauschbandbreite von 100 kHz ist es sinnvoll, die Funktion zum Begrenzen der Rauschbandbreite einzuschalten.

Bild 4: Grundrauschen des Oszilloskops mit 1:1-Tastkopf ohne Bandbreitenbegrenzung (Archiv: Vogel Business Media)

Die Bilder 3 und 4 zeigen das Grundrauschen eines Digital-Oszilloskops mit und ohne Bandbreitenbegrenzung. In Bild 5 sieht man, dass das Grundrauschen mit einem 10:1-Tastkopf wesentlich höher ist.

Bild 5: Grundrauschen des Oszilloskops mit 10:1-Tastkopf ohne Bandbreitenbegrenzung (Archiv: Vogel Business Media)

Bei Rauschmessungen muss die eingestellte Kopplungsart des Oszilloskops berücksichtigt werden. Die AC-Kopplung sollte bei Breitbandmessungen verwendet werden, weil das Rauschen im Allgemeinen auf einer größeren Gleichspannung liegt. Bei AC-Kopplung wird der Gleichspannungsanteil beseitigt und man kann die größtmögliche Verstärkung verwenden. Die Bandbreite bei AC-Kopplung ist meist durch eine untere Grenzfrequenz limitiert. Diese untere Grenzfrequenz (z.B. 10 Hz) ist oft zu hoch, um das 1/f-Rauschen im Bereich von 0,1 bis 10 Hz zu erfassen. Deswegen wird für 1/f-Messungen die DC-Kopplung mit einem externen Bandpassfilter verwendet. Im Kasten sind die allgemeinen Richtlinien für Rauschmessungen mit Oszilloskopen zusammengefasst.

Geräte zur Rauschmessung: Spektrumanalysatoren

Spektrumanalysatoren arbeiten wie Oszilloskope entweder digital oder analog. Moderne analoge Spektrumanalysatoren verwenden meist das Überlagerungsverfahren. Hier wird die Mittenfrequenz eines Bandpassfilters über einen Frequenzenbereich abgestimmt und die jeweiligen Messergebnisse aufgezeichnet. Bei digitalen Spektralanalysatoren wird die Fast Fourier Transformation (FFT-Analyse) verwendet.

Bild 6: Auflösungsbandbreite, bei der Signale gut aufgelöst werden (Archiv: Vogel Business Media)

Unabhängig vom verwendeten Spektrumanalysator müssen einige Schlüsselparameter berücksichtigt werden. Die Anfangs- und Endfrequenz gibt den Frequenzbereich an, über den der Bandpassfilter abgestimmt wird (sweep). Die Auflösungsbandbreite ist die Bandbreite des Bandpassfilters. Die Verringerung der Auflösungsbandbreite erhöht die Fähigkeit des Spektrumanalysators, bestimmte diskrete Frequenzanteile zu erkennen, bewirkt aber, dass die Abtastung länger dauert. Die Bilder 6 und 7 zeigen zwei Messungen mit einem Spektrumanalysator mit unterschiedlichen Auflösungsbandbreiten. In einem Fall werden die Signale gut aufgelöst, im anderen Fall schlecht.

Bild 7: Auflösungsbandbreite, bei der Signale schlecht aufgelöst werden (Archiv: Vogel Business Media)

In den Bildern 6 und 7 ist das Spektrum in dBm (Dezibel Milliwatt) angegeben. Dies ist eine bei Spektrumanalysatoren gängige Maßeinheit. Ein dBm ist der auf ein Milliwatt bezogene Leistungspegel in dB. Bei dem Spektrumanalysator in diesem Beispiel wird für die Messung außerdem eine Eingangsimpedanz von 50 Ω angenommen. Dies gilt für die meisten Spektrumanalysatoren, selbst wenn die Eingangsimpedanz 1 MΩ beträgt.

In den Bildern 6 und 7 erhöhte sich das Grundrauschen von –87 dBm auf –80 dBm, wenn die Auflösungsbandbreite verringert wurde. Das Grundrauschen wird durch die Auflösungsbandbreite beeinflusst, da es sich um thermisches Rauschen handelt und daher eine größere Bandbreite das Gesamtrauschen erhöht.

Diskrete Signale sollen nicht in die Spektraldichteberechnungen einbezogen werden. Zum Beispiel darf ein 50-Hz-Störsignal aus dem Stromnetz nicht in die Leistungsdichtekurve des Rauschens einbezogen werden, da es sich um ein diskretes Signal handelt.

Rauschbandbreite in Auflösungsbandbreite umrechnen

Bild 8: Auflösungsbandbreite, bei der Signale schlecht aufgelöst werden (Archiv: Vogel Business Media)

Einige Spektrumanalysatoren zeigen das Spektrum in nV/√Hz an. Falls diese Funktion nicht zur Verfügung steht, lässt sich die Amplitude des Spektrums in eine Leistungsdichte umrechnen. Zum Umrechnen der Auflösungsbandbreite in die Rauschbandbreite wird ein Umrechnungsfaktor benötigt. In Gleichung 1 ist die Umrechung eines in dBm angegebenen Spektrums in die Leistungsdichte dargestellt. In Tabelle 1 sind Faktoren aufgeführt, die zum Umrechnen der Auflösungsbandbreite in die Rauschbandbreite benötigt werden. Bild 8 zeigt ein Beispiel.

NdBm – Rauschwert in dBm vom Spektrumanalysator R – Referenzimpedanz, die für die Berechnung von dBm verwendet wird Vspect_anal – Vom Spektrumanalysator gemessene Rauschspannung pro Auflösungsbandbreite RBW – Auflösungsbandbreite, die am Spektrumanalysator eingestellt ist Vspect_den – Spektrale Dichte [nV/vHz] Kn – Faktor zum Umrechnen der Auflösungsbandbreite in die Rauschbandbreite (Archiv: Vogel Business Media)

Grundrauschen und Bandbreite sind die wichtigsten technischen Daten, die bei der Auswahl eines Spektrumanalysators berücksichtigt werden müssen. Tabelle 2 enthält einige der technischen Daten für zwei unterschiedliche Spektrumanalysatoren.

Zusammenfassung und Vorschau

In diesem Artikel wurden unterschiedliche Geräte zur Messung des Rauschens vorgestellt. Obwohl bestimmte Gerätemodelle berücksichtigt wurden gelten die Konzepte für die meisten Geräte. Dieser Artikel soll die Aufmerksamkeit auf die wichtigsten technischen Daten lenken, die bei der Auswahl von Geräten für Rauschmessungen berücksichtigt werden sollten. Teil 6 beschreibt praktische Beispiele zum Verwenden dieser Geräte.

Art Kay ist Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Dallas, USA. Katharina Berberich arbeitet als Field Application Engineer, Signal Chain, bei Texas Instruments in Freising.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:234535)