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Wie gut sind SPICE-Modelle für OPVs?

Prüfen hinsichtlich Spannungs- und Stromrauschen

25. Februar 2019, 06:00 Uhr   |  Ian Williams

Prüfen hinsichtlich Spannungs- und Stromrauschen
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Wie gut sind die SPICE-Makromodelle der Halbleiterhersteller? Teil 7.

Haben sie je hinterfragt, ob das SPICE-Modell des gewählten Operationsverstärkers auch mit den Datenblatt-Spezifikationen übereinstimmt? Der siebte und letzte Teil zeigt, mit welchen Schaltungen sich das Rauschverhalten von OPVs prüfen lässt, um Modelle mit Datenblattangaben zu vergleichen.

Rauschen ist schlicht die Bezeichnung für ein unerwünschtes Signal, das meist stochastischer Natur ist und zusammen mit dem gewünschten Signal einen Fehler verursacht.

Alle Operationsverstärker, ebenso wie bestimmte weitere Schaltungselemente, z. B. Widerstände und Dioden, erzeugen ein gewisses Eigenrauschen.

In analogen Schaltungen muss sich ein Entwickler unbedingt vergewissern, dass der Rauschpegel ausreichend niedrig ist, um eine aussagefähige Messung des gewünschten Ausgangssignals zu ermöglichen.

Bild 36 a bis c

Bild 36a: Eingangssignal.
Bild 36b: ideales rauschfreies Ausgangssignal (V = 3 V/V).
Bild 36c: mit Rauchen überlagertes Ausgangssignale der Verstärkerstufe (V = 3 V/V).

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Bilder 36 a bis 36 c verdeutlichen dies an einem einfachen Beispiel für eine Eingangswechselspannung und zeigen die ideale (rauschfreie) Ausgangsspannung (Bild 36 b) und die rauschbehaftete Ausgangsspannung (Bild 36 c) für eine Verstärkerstufe mit einer Verstärkung von 3 V/V.

Mit einem präzisen Modell gestaltet sich das Vorhersagen der Rauscheigenschaften einer Operationsverstärkerschaltung ganz unkompliziert. Dies ist für die meisten Entwickler sehr attraktiv, weil das manuelle Berechnen des Rauschens recht umständlich und schwierig sein kann.

Rauschspannungsdichte am Eingang

Das Spannungsrauschen eines Operationsverstärkers wird normalerweise als Eingangs-Rauschspannungsdichte (en) in der Einheit nV/√Hz angegeben. Diese Größe gibt an, welche Rauschspannung der Operationsverstärker für eine bestimmte Frequenz an seinen Eingangsanschlüssen erzeugt.

Zum Messen von en wird der Operationsverstärker als Puffer mit Eins-Verstärkung beschaltet und sein nicht-invertierender Eingang mit der AC-Quelle UE verbunden. Die hierfür empfohlene Testschaltung zeigt Bild 37.

Bild 37. Pufferverstärker als Testschaltung.
© Texas Instruments

Bild 37. Als Testschaltung zum Prüfen der Eingangs-Rauschspannungsdichte eignet sich der Pufferverstärker mit Eins-Verstärkung.

Bild 38. Vergleich der simulierten Rauschspannungsdichte mit den Datenblattangaben.
© Texas Instruments

Bild 38. Die am Modell des OPA1692 gemessene Rauschspannungsdichte stimmt sehr gut mit der Angabe im Datenblatt überein. 

Mit der gezeigten Schaltung wird nachfolgend der en-Wert des rauscharmen Verstärkers OPA1692 [33] von Texas Instruments gemessen. Dazu wird einfach eine Rauschanalyse über den gewünschten Frequenzbereich vorgenommen und der Rauschpegel am Knoten URauschen bezogen auf UE gemessen.

Im Beispiel des OPA1692 stimmt der simulierte en-Wert exakt mit den Angaben im Datenblatt überein, wie in Bild 38 zu erkennen.

Eingangs-Rauschstromdichte

Operationsverstärker erzeugen an ihren Eingangsanschlüssen auch ein Stromrauschen, das als Eingangs-Rauschstromdichte (in) bezeichnet und in der Regel in fA/√Hz angegeben wird.

Diese Größe kann im Prinzip ähnlich wie en gemessen werden, es muss dabei aber ein einfacher Trick angewendet werden.

Einige Simulatoren haben nämlich ihre Schwierigkeiten damit, Rauschen als Strom zu messen. Deshalb wandelt eine stromgesteuerte Spannungsquelle den in den nicht-invertierenden Eingang fließenden Strom in eine Spannung um. Bild 39 zeigt die dafür empfohlene Testschaltung.

Bild 39. Schaltung zum Messen der Rauschstromdichte eines OPVs.
© Texas Instruments

Bild 39. Um die Eingangs-Rauschstromdichte messen zu können, steuert der Rauschstrom eine Spannungsquelle am Eingang des OPVs.

Bild 40. Übereinstimmung der simulierten Rauschstromdichte mit den Datenblattangaben.
© Texas Instruments

Bild 40. Auch die am Modell des OPA1692 gemessene Rauschstromdichte stimmt mit der Angabe im Datenblatt überein. 

Die Schaltung wird nun eingesetzt, um den in-Wert des OPA1692 zu messen. Zu diesem Zweck wird eine Rauschanalyse über den gewünschten Frequenzbereich vorgenommen und der Rauschpegel am Knoten IRauschen bezogen auf UE gemessen.

Dabei ist zu beachten, dass für das resultierende Diagramm wegen der stromgesteuerten Spannungsquelle CCVS1 Ampere in Volt umgewandelt wurden.

Bild 40 gibt das Resultat nach der Rückumwandlung in Ampere wieder, im Vergleich zu der im Datenblatt angegebenen Kurve.

Auch hier ist zu sehen, dass das simulierte Rauschverhalten der Kurve aus dem Datenblatt äußerst gut entspricht.

Gesamt-Spannungsrauschen

So nützlich es auch ist, über das eingangsbezogene Rauschen eines Operationsverstärkers Bescheid zu wissen, liefert es doch noch kein vollständiges Bild der gesamten Rauscheigenschaften einer Schaltung.

Eine Kombination aus mehreren Faktoren wie der Schleifenverstärkung, der Bandbreite und des Rauschanteils weiterer Schaltungselemente hat Auswirkungen darauf, wie viel Rauschen letztendlich am Ausgang der Schaltung anliegt.

Glücklicherweise bieten die meisten Simulatoren eine Möglichkeit zum Messen dieser Art von Rauschen, das als Gesamtrauschen oder integrierten Rauschen bezeichnet wird, da es dem Integral aller Rauschquellen über die effektive Bandbreite der Schaltung entspricht.

Bild 41. Schaltung, zum Messen des Gesamtrauschen eines OPVs.
© Texas Instruments

Bild 41. Mit dieser Schaltung, im Beispiel mit dem OPA1692 ausgeführt, lässt sich das Gesamtrauschen eines OPVs messen.

Bild 41 zeigt eine komplexere Operationsverstärkerschaltung, mit dem OPA1692 als nicht-invertierender Verstärker – mit einer Verstärkung von 10 V/V – und einem zusätzlichen RC-Filter am Ausgang, das die effektive Bandbreite auf etwa 150 kHz begrenzt.

Um das gesamte RMS-Rauschen (Root Mean Square) am Ausgang der Schaltung zu ermitteln, wird eine Gesamt-Rauschanalyse über einen weiten Frequenzbereich (wie in Bild 42 gezeigt) durchgeführt und der Rauschpegel am Knoten URauschen gemessen.

Dabei wird nach dem Pegel gesucht, bei dem die Kurve des Gesamtrauschens bei hoher Frequenz abflacht und in einen konstanten Wert mündet.

Bild 42. Gesamtrauschen des OPA1692.
© Texas Instruments

Bild 42. Das Ergebnis der Messung der Schaltung von Bild 41 zeigt das Gesamtrauschen des OPA1692.

Das Ergebnis lässt erkennen, dass das Gesamtrauschen der Schaltung aus Bild 42 genau 21,15 µVeff bzw. 126,9 µVss beträgt.

Diesen Messwert würde man erwarten, wenn am Ausgang dieser Schaltung in der Realität gemessen würde. Allerdings darf dabei jedoch nicht das stochastische Wesen des Rauschens vergessen werden.

Das tatsächliche Rauschen kann durchaus etwas geringer oder größer als der berechnete oder der simulierte Wert sein. Eine eingehendere Abhandlung hierzu finden Sie in [34].

Literatur

[33] OPA1692 Low-Power, Low-Noise and Low-Distortion Sound Plus Audio Operational Amplifiers. Texas Instruments, Datenblatt, Oktober 2018, www.ti.com/lit/ds/symlink/opa1692.pdf.

[34] Williams, I.: Op Amps: Noise 1. Texas Instruments, Video, TI Precision Labs, März 2015, https://training.ti.com/ti-precision-labs-op-amps-noise-1?cu=14685.

[35] Kay, A.: Operational Amplifier Noise – Techniques and Tips for Analyzing and Reducing Noise. Elsevier, 1. Auflage, Januar 2012, ISBN: 978-0-7506-8525-2.

Der Autor

Ian Williams, B. Sc., Applikationsingenieur bei TI
© Texas Instruments

Ian Williams, B. Sc., Applikationsingenieur bei TI, entwickelt SPICE-Modelle für Präzisionsverstärker.

Ian Williams, B. Sc.

ist Applikationsingenieur und SPICE-Modellentwickler für Präzisionsverstärker bei Texas Instruments in Tucson, Arizona, USA. Er erhielt seinen Bachelor in Elektrotechnik von der Universität von Texas in Dallas.

asktexas@ti.com

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