Eigenrauschen in Operationsverstärkerschaltungen, Teil 8

Popcorn- oder Burst-Rauschen messen

28.11.2008 | Autor / Redakteur: Art Kay* / Kristin Rinortner

Rauschen ist die Ursache für Qualitätsverluste bei Audiosignalen und für Fehler bei Präzisionsmessungen. In Teil 8 unserer Serie zu Rauschphänomenen und deren Messung beschreiben wir, wie das Popcorn- oder Burst-Rauschen gemessen wird und bei welchen Anwendungen es besonders störend ist.

Für Entwickler von Leiterplatten und elektrischen Systemen ist es hilfreich zu wissen, mit welcher Art Rauschen sie im ungünstigsten Fall bei ihren Schaltungsentwürfen rechnen müssen und welche Verfahren zur Rauschreduzierung oder welche Messmethoden existieren. Elektronikpraxis hat in den Teilen 1 bis 7 dieser Serie Grundlagen zu den verschiedenen Rauscharten und deren Messung publiziert (siehe InfoClick-Kasten). In Teil 8 beschreibt der Autor, wie Popcorn-Rauschen gemessen wird, und welche Anwendungen besonders empfindlich gegenüber Popcorn-Rauschen sind.

Definition des Popcorn-Rauschens

Popcorn-Rauschen ist ein plötzlicher Sprung des Basisstroms eines bipolaren Transistors bzw. ein Sprung der Schwellenspannung eines Feldeffekttransistors (FET). Diese Art des Rauschens erinnert an das Aufplatzen von Popcorn, wenn man es über einen Lautsprecher hörbar macht. Es wird auch als Burst-Rauschen oder RTS-Rauschen (Random Telegraph Signals) bezeichnet. Popcorn-Rauschen tritt bei niedrigen Frequenzen (normalerweise <1 kHz) auf. Bursts können mehrmals pro Sekunde oder auch im Abstand von mehreren Minuten (sehr selten) auftreten.

Bild 1 zeigt den zeitlichen Verlauf des Popcorn-Rauschens und die statistische Verteilung. Die charakteristischen Sprünge des Rauschpegels spiegeln sich in den Spitzen der Verteilung wider. Es handelt sich beim Popcorn-Rauschen nicht um eine reine Gauß’sche Verteilung, sondern um drei übereinander angeordnete Gaußkurven.

In diesem Beispiel springt das Popcorn-Rauschen zwischen drei diskreten Werten. Das zwischen den Bursts auftretende Rauschen ist eine Kombination aus Breitbandrauschen und 1/f-Rauschen. Somit besteht das Rauschen aus drei unterschiedlichen Gaußkurven mit 1/f- und Breitbandrauschen, die durch Popcorn-Rauschen um unterschiedliche Werte verschoben werden.

Ursachen des Popcorn-Rauschens

Man nimmt an, dass das Popcorn-Rauschen von mikroskopischen Defekten und Verunreinigungen durch Schwermetallatome im Halbleiter verursacht wird. Das Popcorn-Rauschen ist somit fertigungsbedingt. Bei modernen Prozessen tritt es in relativ geringem Umfang auf. Im Allgemeinen besteht eine „Chargenabhängigkeit“, d.h., bei einigen Chargen tritt kein Popcorn-Rauschen auf, während bei anderen ein kleiner Prozentsatz (z.B. 5%) festgestellt wird.

Popcorn-Rauschen – Strom- oder Spannungsrauschen?

Da bei bipolaren Transistoren das Popcorn-Rauschen als stufenförmige Änderung des Basisstroms auftritt, bemerkt man es meist nur in Anwendungen mit hoher Quellimpedanz. Bei JFET-Operationsverstärkern (Junction-FET) ist das Rauschen des Eingangsstroms meist nicht problematisch. Manchmal können bipolare Transistoren in einer internen Stufe Popcorn-Rauschen generieren, das dann als Spannungsrauschen zu sehen ist.

CMOS-Verstärker neigen im Allgemeinen weniger zu Popcorn-Rauschen. Popcorn-Rauschen bei MOSFET-Transistoren zeigt sich als Sprung der Schwellenspannung. In einem Operationsverstärker würde sich dies als Spannungsrauschen bemerkbar machen.

Popcorn-Spannungsrauschen im Labor und in der Produktion prüfen

In diesem Abschnitt geht es darum, wie Bauteile im Labor bzw. in einer Produktion auf Popcorn-Rauschen geprüft werden können. In einem Entwicklungslabor werden kleine Mengen von Bauelementen getestet. In der Produktion wird eine automatisierte Prüfanlage verwendet, um große Mengen von Bauelementen zu prüfen. Der grundlegende Unterschied zwischen beiden Prüfungen besteht darin, dass bei den Produktionsprüfungen eine kurze Testzeit notwendig ist (normalerweise <1 s). Die Zeiten für die Produktionsprüfung müssen kurz sein, da hier Testzeit sehr teuer ist.

Bild 2 zeigt den Laboraufbau zum Messen des Popcorn-Spannungsrauschens an einem Operationsverstärker (U1). Der nicht invertierende Eingang des Verstärkers ist geerdet, so dass nur das Rauschen und der Offset verstärkt werden. Beides wird weiter durch U2 verstärkt. Die Gesamtverstärkung beträgt 101 × 101 = 10.201 V/V. Dies ist eine typische Verstärkungseinstellung, sie kann jedoch experimentell angepasst werden.

Hoch- und Tiefpassfilter

Das Tiefpassfilter am Ausgang von U2 begrenzt die Bandbreite auf 100 Hz. Es beseitigt höherfrequentes Rauschen und macht das Popcorn-Rauschen sichtbar (bzw. das 1/f-Rauschen, falls kein Popcorn-Rauschen vorhanden ist). Je nach Anwendung kann dieses Filter auch über einen Bereich von 10 Hz bis 1000 Hz angepasst werden. Ein 10-Hz-Tiefpassfilter hat den Vorteil 50-Hz-Rauschen zu dämpfen, jedoch den Nachteil, dass es einige der Bursts mit höheren Frequenzen verschleiert.

Ein 1000-Hz-Tiefpassfilter erfasst Bursts mit höheren Frequenzen, umfasst jedoch auch Breitbandrauschen in erheblichem Umfang. Das 100-Hz-Filter ist ein guter Kompromiss. Möglicherweise muss man jedoch etwas experimentieren, um herauszufinden, womit man die besten Ergebnisse bei den Messungen erzielt.

Nach dem Tiefpass folgt ein 0,003-Hz-Hochpassfilter. Das Filter ist aus einem Keramikkondensator und der Eingangsimpedanz des Oszilloskops aufgebaut. Es können mehrere kleine, parallel geschaltete Keramikkondensatoren (z.B. 4 × 5 µF) verwendet werden. Das Hochpassfilter dient zum Beseitigen des verstärkten Offsets, der wahrscheinlich bedeutend größer ist, als das zu messende Rauschen. In diesem Beispiel beträgt der Ausgangsoffset ca. 2 V und das Rauschen hat einen Wert von 340 mVSS.

Wichtig ist, dass der Ausgangs-Offset den Verstärker nicht übersteuert. Wenn sich der Ausgangs-Offset dem Wert der Versorgungsspannung nähert, muss entweder die Verstärkung reduziert oder zwischen U1 und U2 galvanisch isoliert werden. Der Filterkondensator C2 muss beim ersten Einschalten auf die Spannung des Ausgangs-Offsets aufgeladen werden. Dies nimmt ziemlich viel Zeit in Anspruch (ca. 5 min). In Anhang 1 ist angegeben, wie die Ladezeit berechnet wird.

Messen des Popcorn-Spannungsrauschens in der Produktion

In Bild 3 ist der Produktionsaufbau zur Messung des Popcorn-Spannungsrauschens an einem Operationsverstärker (U1) dargestellt. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Aufbauten besteht darin, dass im Produktionstest Digitalfilter verwendet werden. Digitalfilter haben nicht die bei Analogfiltern übliche lange Ladezeit.

Dies hat eine kurze Prüfzeit und somit niedrige Kosten zur Folge. Bei diesem Beispiel wird ein Verstärker mit programmierbarer Verstärkung verwendet, um das Rauschen auf einen Pegel zu verstärken, der problemlos gemessen werden kann. Der D/A-Wandler beseitigt den Ausgangs-Offset.

Popcorn-Stromrauschen im Labor und in der Produktion prüfen

Bild 4 zeigt den Laboraufbau zur Messung des Popcorn-Stromrauschens an einem Operationsverstärker (U1). In Reihe mit den beiden Eingängen ist jeweils ein 1-MΩ-Widerstand geschaltet. Diese verstärken das Stromrauschen, so dass es die am Ausgang vorherrschende Rauschart ist. Eine derartige Konfiguration misst das Popcorn-Rauschen an beiden Eingängen. Das Stromrauschen nimmt linear mit dem Eingangswiderstand zu, während das thermische Rauschen mit der Quadratwurzel des Eingangswiderstands steigt. Wird der Eingangswiderstand genügend erhöht, dominiert am Ausgang stets das Stromrauschen. In Anhang 2 sind die Gleichungen, mit denen der Eingangswiderstand so ausgewählt werden kann, dass das Stromrauschen dominiert, aufgeführt.

Die Schaltung enthält dieselben Filter wie bei der Schaltung zum Messen des Spannungsrauschens. Der Ausgangs-Offset, den der 0,003-Hz-Hochpass beseitigt, ist hier hauptsächlich auf den Spannungsabfall des Eingangs-Offsetstroms über die 1-MΩ-Widerstände zurückzuführen.

In Bild 5 ist der Produktionsaufbau zum Messen des Popcorn-Stromrauschens an einem Operationsverstärker (U1) zu sehen. Der Hauptunterschied zwischen Labor- und Produktionsaufbau besteht wieder darin, dass Digitalfilter für kürzere Testzeiten verwendet werden.

Analyseverfahren zum Bestimmen des Popcorn-Rauschens

In diesem Abschnitt werden mehrere Verfahren vorgeschlagen, mit denen man niederfrequentes Rauschen analysieren und feststellen kann, ob es Popcorn-Rauschen enthält. Die Analyseverfahren gelten unabhängig von der Schaltungskonfiguration, die zum Messen der Daten eingesetzt wird. Ingenieure können oft eine auf dem Oszilloskop dargestellte Wellenform qualitativ dahingehend beurteilen, ob das Signal Popcorn-Rauschen enthält.

Bild 6 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf eines Rauschsignals ohne Popcorn-Rauschen. Die Grenzfrequenz für dieses Signal beträgt 300 kHz. Das Histogramm auf der linken Seite des Rauschsignals soll unterstreichen, dass es sich um eine Gauß’sche Verteilung handelt.

Bild 7 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf eines Rauschsignals mit Popcorn-Rauschen. Die Grenzfrequenz für dieses Signal beträgt ebenfalls 300 kHz. Im Histogramm ist zu sehen, dass es sich nicht um eine Gauß’sche Verteilung handelt. Die Kreise und Pfeile zeigen, wo das Popcorn-Rauschen auf verschiedene diskrete Werte springt. Bei diesem Beispiel sind es drei diskrete Rauschpegel, die in der Verteilung drei Glockenkurven erzeugen.

Einfache Möglichkeit: 1. Ableitung

Eine der Möglichkeiten um herauszufinden, ob ein Signal Popcorn-Rauschen enthält, besteht also darin, nach einer Nicht-Gauß’schen Verteilung zu suchen. Eine verbreitete Methode, die großen und schnellen Änderungen bei einem Popcorn Rauschsignal zu identifizieren, besteht darin, das Signal abzuleiten. Die Ableitung des Popcorn-Rauschsignals zeigt bei den diskreten Sprüngen große Spitzen. Die Ableitung von Breitbandrauschen und 1/f-Rauschen würde keine großen Impulsspitzen zeigen.

In Bild 8 wird das Histogramm der Ableitung des Popcorn-Rauschens mit dem Histogramm der Ableitung des Rauschens bei einem normalen Bauelement verglichen. Das Histogramm mit der Ableitung des Popcorn-Rauschens enthält eine große Anzahl von Zählungen außerhalb von ±4 σ. Diese Ausreißer entsprechen den Impulsspitzen in der Ableitung. Die statistische Wahrscheinlichkeit, dass Rauschen außerhalb der Standardabweichungen von ±4 gemessen werden kann, beträgt 0,007%. Somit handelt es sich bei übermäßig großen Kästchen außerhalb der Grenzen von ±4 σ sehr wahrscheinlich um Popcorn-Rauschen.

Eine weitere Möglichkeit, nach Bauelementen mit Popcorn-Rauschen zu suchen, besteht darin, das gemessene Spitze-Spitze-Rauschen mit dem erwarteten Spitze-Spitze-Rauschen zu vergleichen.

Zu berücksichtigen ist, dass außergewöhnlich starkes niederfrequentes Rauschen auf Popcorn-Rauschen hinweisen kann, aber kein Beweis für Popcorn-Rauschen ist.

Wann ist Popcorn-Rauschen ein Problem?

Popcorn-Rauschen ist insbesondere bei Niederfrequenzanwendungen (fc <1 kHz) problematisch. Beispielsweise sind die Wellenformen eines medizinischen Enzephalogramms (EEG, Gehirnstrommessungen) von Popcorn-Rauschen nur schlecht zu unterscheiden. Das gleiche gilt bei seismischen Messungen. Bei Audioanwendungen gilt Popcorn-Rauschen als besonders unangenehme Rauschart.

Popcorn-Rauschen tritt oft als Stromrauschen in Erscheinung. Somit sind Anwendungen mit hoher Quellimpedanz typischerweise empfindlicher. Bild 9 zeigt den Einfluss der Eingangsimpedanz auf die das Popcorn-Rauschen.

In einigen Fällen kann Popcorn-Rauschen durch Breitbandrauschen verschleiert werden. In Bild 10 ist dasselbe Bauelement bei zwei unterschiedlichen Bandbreiten dargestellt. Beide Wellenformen enthalten Popcorn-Rauschen. Bei der großen Bandbreite ist das Popcorn-Rauschen jedoch durch weißes Rauschen verschleiert.

In diesem Artikel wurden die Messung und Analyse des Popcorn-Rauschens erörtert. Teil 9 beschäftigt sich wieder mit dem 1/f-Rauschen und damit, wie Autozero- bzw. Chopper-Verstärker zum Beseitigen des 1/f-Rauschens verwendet werden können.

Danksagung

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

*Art (Arthur) Kay ist als Senior Applications Engineer bei Texas Instruments in Dallas tätig. Er hat sich auf den Support bei Bausteinen für die Aufbereitung von Sensorsignalen spezialisiert.

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