Operationsverstärkerschaltungen optimieren - Teil 4 Eigenrauschen in Operationsverstärkerschaltungen

Nachdem im dritten Teil dieser Artikelreihe eine einfache OPV-Schaltung mit manuellen Verfahren untersucht wurde, folgt nun die SPICE-Analyse. In Teil 4 zeigen wir, wie das Makromodell des Operationsverstärkers das Rauschen exakt simuliert.

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Im dritten Teil dieser Artikelreihe wurde eine einfache Operationsverstärkerschaltung mit manuellen Verfahren untersucht. In diesem Teil soll das Schaltungssimulationsprogramm „TINA SPICE“ verwendet werden. (Eine kostenlose Version von TINA SPICE – TINA-TI steht auf der Website von Texas Instruments zur Verfügung, siehe InfoClick-Service). Mit TINA SPICE können typische SPICE-Simulationen (AC-, DC-, Transient- und Rauschanalyse) durchgeführt werden. Darüber hinaus enthält TINA-TI zahlreiche TI Analog-Makromodelle.

Der vierte Teil führt in die TINA-Rauschanalyse ein. Es wird gezeigt, wie sich nachweisen lässt, dass das Makromodell des Operationsverstärkers das Rauschen exakt simuliert. Wenn nicht, werden eigene Modelle mit diskreten Rauschquellen und einem Standard-OPV entwickelt.

Rauschsimulation eines OPV-Modells prüfen

Bild 1 zeigt eine Testschaltung, mit der sich die Genauigkeit der Rauschanalyse eines OPV-Modells überprüfen lässt. CCV1 ist eine stromgesteuerte Spannungsquelle, die das Stromrauschen in Spannungsrauschen umwandelt. Dies ist notwendig, da die „Output Noise Analysis“ in TINA nur Spannungsrauschen berücksichtigt. Die Verstärkung der CCV1 muss auf 1 gesetzt werden, sodass der Strom direkt in eine Spannung übersetzt wird. Der Operationsverstärker ist als Spannungsfolger geschaltet, sodass das Eingangsrauschen gleich dem Ausgangsrauschen ist.

Die zwei Ausgangs-Messpunkte „Spannungsrauschen“ und „Stromrauschen“ werden von TINA als Knoten zum Aufzeichnen des Rauschens erkannt. Die Quelle VG1 wird addiert, da TINA zur Rauschanalyse eine Eingangsquelle benötigt. Diese Quelle wird als Sinusquelle konfiguriert, was jedoch für die Rauschanalyse nicht erheblich ist (Bild 2).

Als Nächstes muss eine Rauschanalyse durchgeführt werden. Man wählt im Pulldown-Menü „Analysis\Noise Analysis“ (Bild 3). Dadurch wird das Fenster für die Rauschanalyse angezeigt.

Nun gibt man die gewünschte Anfangs- und Endfrequenz ein. Dieser Frequenzbereich wird anhand der technischen Daten des Operationsverstärkers, der getestet wird, bestimmt. Entsprechend den technischen Daten des OPA227 eignet sich für dieses Beispiel ein Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 10 kHz, da das Rauschen für diesen Bereich spezifiziert ist.

Als Nächstes wird unter „Diagrams“ „Output Noise“ ausgewählt. Diese Option erzeugt für jeden Messpunkt in der Schaltung eine Kurve der spektralen Leistungsdichte. Bei der Analyse erhält man zwei Kurven: eine für den Knoten „Spannungsrauschen“ und eine für den Knoten „Stromrauschen“.

Ergebnisse der Rauschanalyse vergleichen

Die Ergebnisse der Rauschanalyse sind in Bild 4 dargestellt. Mit ein paar einfachen Tricks lassen sich beide Kurven in ein übersichtlicheres Format bringen. Man wählt zunächst „Separate Curves“ unter „View“.

Durch ein Klicken auf die y-Achse wird ein Fenster zur Einstellung dieser Achse geöffnet. Hier kann man auch eine logarithmische Darstellung auswählen.

Die Simulationsergebnisse werden nun mit dem Datenblatt des OPA227 in Bild 6 verglichen. Die Ergebnisse sind so gut wie identisch. D.h., dass Rauschen des OPA227 wird durch das TINA-TI-Modell exakt simuliert.

Dasselbe Verfahren wurde für das Modell OPA627 durchgeführt (Bild 7). Das Modell des OPA627 bestand den Test nicht. Die spektrale Dichte des Stromrauschens des Modells beträgt etwa 3,5·10-21 Hz-½ (Datenblatt: 2,5·10-15 Hz-½). Des Weiteren zeigt das Spannungsrauschen des Modells keinen 1/f-Bereich. Im nächsten Abschnitt soll ein Modell für diesen Operationsverstärker entwickelt werden, das das Rauschen korrekt simuliert.

Eigenes Rauschmodell entwickeln

In Teil 2 der Artikelreihe wurde das Rauschmodell eines OPVs eingeführt. Es besteht aus einem Operationsverstärker, einer Spannungsrauschquelle und einer Stromrauschquelle. Wir werden dieses Rauschmodell mit diskreten Rauschquellen und einem normalen Operationsverstärker aufbauen. Die diskreten Rauschquellen wurden von Bill Sands (Analog- und HF-Modelle) für Texas Instruments entwickelt (siehe InfoClick-Service).

Bild 8 zeigt die Schaltung, die verwendet wird, um das Rauschmodell zu erzeugen. Da es sich um die zuvor verwendete Testkonfiguration handelt, muss diese Schaltung angepasst werden, um die Rauscheigenschaften des OPA627 korrekt zu simulieren.

Zuerst muss die Rauschspannungsquelle konfiguriert werden. Dazu klickt man mit der rechten Maustaste auf die Quelle und wählt „Enter Macro“ (Bild 9). Dies startet einen Texteditor mit dem SPICE-Makromodell für die Quelle.

Bild 10 zeigt die „PARAM“-Daten, die zur Anpassung an das Datenblatt bearbeitet werden müssen. NLF ist der Wert der spektralen Leistungsdichte des Rauschens (in nV/Hz1/2) eines Punktes im 1/f-Bereich. FLW ist die Frequenz des gewählten Punktes.

Schritte zum Anpassen der Testschaltung

Als Nächstes muss man die spektrale Leistungsdichte des Breitbandrauschens eingeben. Dazu wird der Parameter NVR verwendet. Es ist keine Frequenzangabe erforderlich, da der Wert des Breitbandrauschens über alle Frequenzen hinweg konstant ist (Bild 11). Nach der Eingabe der Daten klickt man auf das Kontrollkästchen mit dem Häkchen. Anschließend wird in der Statusleiste die Meldung „Successfully compiled“ angezeigt.

Um zum Editorfenster (Bild 12) zurückzukehren, wählt man unter „File“ die Option „Close“.

Dasselbe Verfahren muss für die Rauschstromquelle durchgeführt werden. In diesem Beispiel gibt es bei der Stromquelle kein 1/f-Rauschen und die „PARAM“-Werte für Breitband und 1/f-Rauschen werden auf denselben Wert (2,5 f A/Hz1/2) eingestellt.

Die 1/f-Frequenz wird auf eine sehr niedrige Frequenz außerhalb des Bereiches, der normalerweise interessant ist, eingestellt, z.B. auf 0,001 Hz (Bild 13).

Nachdem jetzt beide Rauschquellen konfiguriert sind, werden einige Wechselspannungsparameter im OPV-Modell bearbeitet. Dazu müssen die Leerlaufverstärkung (Aol) und die dominante Polstelle eingegeben werden. Diese Werte können die Bandbreite des Verstärkers beeinflussen, was wiederum Auswirkungen auf das Rauschen der Schaltung hat. Die Leerlaufverstärkung (Aol) ist normalerweise im Datenblatt in dB angegeben. Gleichung 1 dient zum Umrechnen von dB in eine lineare Verstärkung. Mit Gleichung 2 wird die dominante Polstelle in der Aol-Kurve berechnet. Im Beispiel 1 (im Internet) wird diese Berechnung für den OPA627 durchgeführt.

Die dominante Polstelle ist in Bild 14 grafisch dargestellt.

OLG = 10 Ndb/20 (1)

OLG = Leerlaufverstärkung [V/V]

Ndb = Leerlaufverstärkung [dB]

Erste Polstelle = GBW / OLG (2)

GBW = Verstärkungsbandbreitenprodukt

Als Nächstes muss das Modell des normalen Operationsverstärkers bearbeitet werden, um die Leerlaufverstärkung und die dominante Polstelle zu berücksichtigen. Dies erfolgt durch Doppelklicken auf ein Operationsverstärkersymbol und Klicken auf die Schaltfläche „Type“. Dadurch wird der „Catalog Editor“ angezeigt. Im Catalog Editor ändern Sie den Eintrag „Open loop gain“ auf den im Beispiel 1 berechneten Wert (16 Hz). In Bild 15 ist dieses Verfahren zusammengefasst.

Das Rauschmodell ist jetzt vollständig. Bild 16 zeigt das Ergebnis des am Modell durchgeführten Tests. Erwartungsgemäß entspricht das neue Modell dem Datenblatt.

Schaltung aus Teil 3 mit TINA verifezieren

In Bild 17 ist die in TINA SPICE eingegebene Schaltung für den OPA627 dargestellt. Die Rauschquellen und der Operationsverstärker wurden in Teil 4 entwickelt, die Widerstände Rf und R1 entsprechen der Beispielschaltung aus Teil 3.

Führen Sie wieder mit TINA SPICE eine Rauschanalyse durch, indem Sie im Pulldown-Menü auf „Analysis\Noise Analysis“ klicken. Wählen Sie im Dialogfenster der Rauschanalyse die Optionen „Output Noise“ und „Total Noise“. „Total Noise“ erzeugt einen Verlauf des Integrals der Spektralen Leistungsdichtekurve. Anhand der „Total Noise“-Kurve können wir für diese Schaltung den Effektivwert der Ausgangs-Rauschspannung bestimmen. Bild 18 zeigt, wie die Rauschanalyse durchgeführt wird.

Die Ergebnisse der „Total Noise“-Analyse sind in den Bildern 19 und 20 dargestellt. Bild 19 zeigt die Spektraldichte des Rauschens am Verstärkerausgang. In dieser Kurve sind alle Rauschquellen, die Auswirkungen der Rauschverstärkung und der Rauschbandbreite zusammengefasst.

In Bild 20 ist für eine gegebene Bandbreite das Gesamtrauschen am Verstärkerausgang dargestellt. Die Kurve weist bei hoher Frequenz einen konstanten Effektivwert von 323 µVeff auf. Der Wert ist aufgrund der Bandbreitenbegrenzung des OPVs konstant und entspricht sehr gut dem im dritten Teil berechneten Ausgangsrauschen (324 µV).

In diesem Artikel wurde mit der Simulationssoftware TINA SPICE eine einfache Testprozedur entwickelt, die zum Überprüfen eines Operationsverstärkermodells verwendet werden kann. In einigen Fällen bestehen die Modelle diesen Test nicht. Deswegen wurde mithilfe diskreter Rauschquellen und eines normalen Operationsverstärkers ein eigenes Modell entwickelt. TINA wurde zum Berechnen des Rauschens für die Beispielschaltung aus Teil 3 verwendet. Der fünfte Teil beschäftigt sich mit Verfahren zur Rauschmessung.

Makro zum Berechnen des Spannungsrauschens

* BEGIN PROG NSE NANO VOLT/RT-HZ

.SUBCKT VNSE 1 2

* BEGIN SETUP OF NOISE GEN - NANOVOLT/RT-HZ

* INPUT THREE VARIABLES

* SET UP VNSE 1/F

* NV/RHZ AT 1/F FREQ

.PARAM NLF=15

* FREQ FOR 1/F VAL

.PARAM FLW=10

* SET UP VNSE FB

* NV/RHZ FLATBAND

.PARAM NVR=4.5

* END USER INPUT

* START CALC VALS

.PARAM GLF={PWR(FLW,0.25)*NLF/1164}

.PARAM RNV={1.184*PWR(NVR,2)}

.MODEL DVN D KF={PWR(FLW,0.5)/1E11} IS=1.0E-16

* END CALC VALS

I1 0 7 10E-3

I2 0 8 10E-3

D1 7 0 DVN

D2 8 0 DVN

E1 3 6 7 8 {GLF}

R1 3 0 1E9

R2 3 0 1E9

R3 3 6 1E9

E2 6 4 5 0 10

R4 5 0 {RNV}

R5 5 0 {RNV}

R6 3 4 1E9

R7 4 0 1E9

E3 1 2 3 4 1

C1 1 0 1E-15

C2 2 0 1E-15

C3 1 2 1E-15

.ENDS

· END PROG NSE NANOV/RT-HZ

Makro zum Berechnen des Stromrauschens

* BEGIN PROG NSE FEMTO AMP/RT-HZ

.SUBCKT FEMT 1 2

* BEGIN SETUP OF NOISE GEN - FEMPTOAMPS/RT-HZ

* INPUT THREE VARIABLES

* SET UP INSE 1/F

* FA/RHZ AT 1/F FREQ

.PARAM NLFF=2.5

* FREQ FOR 1/F VAL

.PARAM FLWF=0.001

* SET UP INSE FB

* FA/RHZ FLATBAND

.PARAM NVRF=2.5

* END USER INPUT

* START CALC VALS

.PARAM GLFF={PWR(FLWF,0.25)*NLFF/1164}

.PARAM RNVF={1.184*PWR(NVRF,2)}

.MODEL DVNF D KF={PWR(FLWF,0.5)/1E11} IS=1.0E-16

* END CALC VALS

I1 0 7 10E-3

I2 0 8 10E-3

D1 7 0 DVNF

D2 8 0 DVNF

E1 3 6 7 8 {GLFF}

R1 3 0 1E9

R2 3 0 1E9

R3 3 6 1E9

E2 6 4 5 0 10

R4 5 0 {RNVF}

R5 5 0 {RNVF}

R6 3 4 1E9

R7 4 0 1E9

G1 1 2 3 4 1E-6

C1 1 0 1E-15

C2 2 0 1E-15

C3 1 2 1E-15

.ENDS

* END PROG NSE FEMTO AMP/RT-HZ

*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.

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