ZMODYFIKOWANA METODA ANALIZY SZUMÓW WE WZMACNIACZACH OPERACYJNYCH

Podobne dokumenty
ANALIZA WŁAŚCIWOŚCI FILTRU PARAMETRYCZNEGO I RZĘDU

Szumy układów elektronicznych, wzmacnianie małych sygnałów

BADANIA MODELOWE OGNIW SŁONECZNYCH

2 Dana jest funkcja logiczna w następującej postaci: f(a,b,c,d) = Σ(0,2,5,8,10,13): a) zminimalizuj tę funkcję korzystając z tablic Karnaugh,

1. Zarys właściwości półprzewodników 2. Zjawiska kontaktowe 3. Diody 4. Tranzystory bipolarne

Programy CAD w praktyce inŝynierskiej

Tranzystory bipolarne. Właściwości dynamiczne wzmacniaczy w układzie wspólnego emitera.

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Tranzystorowe wzmacniacze OE OB OC. na tranzystorach bipolarnych

Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

OCENA DOKŁADNOŚCI FIRMOWYCH MODELI DIOD SCHOTTKY EGO Z WĘGLIKA KRZEMU

Temat: Wzmacniacze operacyjne wprowadzenie

Wzmacniacze operacyjne

Filtry. Przemysław Barański. 7 października 2012

Zadania z podstaw elektroniki. Zadanie 1. Wyznaczyć pojemność wypadkową układu (C1=1nF, C2=2nF, C3=3nF):

Ćw. 7 Wyznaczanie parametrów rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych (płytka wzm. I)

A3 : Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

Instrukcja nr 6. Wzmacniacz operacyjny i jego aplikacje. AGH Zespół Mikroelektroniki Układy Elektroniczne J. Ostrowski, P. Dorosz Lab 6.

Podstawowe układy elektroniczne

Filtry aktywne filtr środkowoprzepustowy

Wzmacniacz operacyjny

Tranzystory bipolarne. Właściwości wzmacniaczy w układzie wspólnego kolektora.

Wzmacniacze, wzmacniacze operacyjne

Laboratorium Elektroniki

FILTR RC SYGNAŁÓW PRĄDOWYCH W UKŁADACH KONDYCJONOWANIA SYSTEMÓW POMIAROWYCH

5 Filtry drugiego rzędu

PODSTAWY ELEKTRONIKI I TECHNIKI CYFROWEJ

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Zespół Szkół Łączności w Krakowie. Badanie parametrów wzmacniacza mocy. Nr w dzienniku. Imię i nazwisko

Badanie charakterystyk elementów półprzewodnikowych

Liniowe układy scalone. Wykład 4 Parametry wzmacniaczy operacyjnych

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego

WSTĘP DO ELEKTRONIKI

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Efekt Halla. Cel ćwiczenia. Wstęp. Celem ćwiczenia jest zbadanie efektu Halla. Siła Loretza

PARAMETRY MAŁOSYGNAŁOWE TRANZYSTORÓW BIPOLARNYCH

Budowa. Metoda wytwarzania

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych test kompetencji zagadnienia

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.

Opracowane przez D. Kasprzaka aka 'master' i D. K. aka 'pastakiller' z Technikum Elektronicznego w ZSP nr 1 w Inowrocławiu.

WZMACNIACZ NAPIĘCIOWY RC

1 Źródła i detektory. I. Badanie charakterystyki spektralnej nietermicznych źródeł promieniowania elektromagnetycznego

Zasada działania tranzystora bipolarnego

SYMULACJA ZAKŁÓCEŃ W UKŁADACH AUTOMATYKI UTWORZONYCH ZA POMOCĄ OBWODÓW ELEKTRYCZNYCH W PROGRAMACH MATHCAD I PSPICE

AKADEMIA MORSKA KATEDRA NAWIGACJI TECHNICZEJ

EUROELEKTRA. Ogólnopolska Olimpiada Wiedzy Elektrycznej i Elektronicznej. Rok szkolny 2012/2013. Zadania dla grupy elektronicznej na zawody II stopnia

ĆWICZENIE 15 BADANIE WZMACNIACZY MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Ćwiczenie 1: Pomiar parametrów tranzystorowego wzmacniacza napięcia w układzie wspólnego emitera REGIONALNE CENTRUM EDUKACJI ZAWODOWEJ W BIŁGORAJU

Politechnika Białostocka

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

Podstawy Elektrotechniki i Elektroniki. Opracował: Mgr inż. Marek Staude

Źródła zasilania i parametry przebiegu zmiennego

Scalony stabilizator napięcia typu 723

PODSTAWY ELEKTRONIKI TEMATY ZALICZENIOWE

7. Tyrystory. Tyrystor SCR (Silicon Controlled Rectifier)

LABORATORIUM ELEKTRONIKI OBWODY REZONANSOWE

Uniwersytet Pedagogiczny

Przykładowe zadanie egzaminacyjne dla kwalifikacji E.20 w zawodzie technik elektronik

Realizacja regulatorów analogowych za pomocą wzmacniaczy operacyjnych. Instytut Automatyki PŁ

Ogólny schemat blokowy układu ze sprzężeniem zwrotnym

3. ZŁĄCZE p-n 3.1. BUDOWA ZŁĄCZA

ĆWICZENIE LABORATORYJNE. TEMAT: Badanie liniowych układów ze wzmacniaczem operacyjnym (2h)

I-21 WYDZIAŁ PPT LABORATORIUM Z ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI

ZASTOSOWANIE PROGRAMU SMATH W ANALIZIE STANÓW USTALONYCH W OBWODACH ELEKTRYCZNYCH

Ćw. III. Dioda Zenera

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

Liniowe układy scalone w technice cyfrowej

ZAGADNIENIA STANÓW DYNAMICZNYCH TRÓJFAZOWYCH SILNIKÓW INDUKCYJNYCH W WYBRANYCH NIESYMETRYCZNYCH UKŁADACH POŁĄCZEŃ

Ćwiczenie A2 : Filtry bierne

14 Modulatory FM CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE Podstawy modulacji częstotliwości Dioda pojemnościowa (waraktor)

płytka montażowa z tranzystorami i rezystorami, pokazana na rysunku 1. płytka montażowa do badania przerzutnika astabilnego U CC T 2 masa

Wykład V Złącze P-N 1

Podstawowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych wzmacniacz odwracający i nieodwracający

Tranzystory bipolarne. Małosygnałowe parametry tranzystorów.

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Laboratorium Wirtualne Obwodów w Stanach Ustalonych i Nieustalonych

kierunek: Automatyka i Robotyka Zadania uzupełniające do wykładu i ćwiczeń laboratoryjnych z Elektroniki sem. II

FIZYKA LABORATORIUM prawo Ohma

Ćwiczenie C3 Wzmacniacze operacyjne. Wydział Fizyki UW

Szumy Wprowadzenie. Źródłem szumu nazywamy źródło napięcia lub prądu, które generuje przebieg o losowej wartości chwilowej napięcia lub prądu

WZMACNIACZ OPERACYJNY. Podstawowe właściwości wzmacniaczy operacyjnych. Rodzaj wzmacniacza Rezystancja wejściowa Rezystancja wyjściowa

Przyrządy półprzewodnikowe część 5 FET

Elementy elektroniczne Wykłady 5,6: Tranzystory bipolarne

Ćwiczenie 1 Podstawy opisu i analizy obwodów w programie SPICE

Metodę poprawnie mierzonego prądu powinno się stosować do pomiaru dużych rezystancji, tzn. wielokrotnie większych od rezystancji amperomierza: (4)

Zbiór zadań z elektroniki - obwody prądu stałego.

Natężenie prądu elektrycznego

WARTOŚCI CZASU TRWANIA ZWARCIA PODCZAS ZAKŁÓCEŃ W ROZDZIELNIACH NAJWYŻSZYCH NAPIĘĆ W ŚWIETLE BADAŃ SYMULACYJNYCH

PRAWO OHMA DLA PRĄDU PRZEMIENNEGO

A6: Wzmacniacze operacyjne w układach nieliniowych (diody)

1 Dana jest funkcja logiczna f(x 3, x 2, x 1, x 0 )= (1, 3, 5, 7, 12, 13, 15 (4, 6, 9))*.

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Tranzystory bipolarne. Podstawowe układy pracy tranzystorów.

Przetworniki cyfrowo-analogowe C-A CELE ĆWICZEŃ PODSTAWY TEORETYCZNE

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej STUDIA DZIENNE. Badanie tranzystorów unipolarnych typu JFET i MOSFET

Repeta z wykładu nr 6. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Metal-półprzewodnik

Ćwiczenie 3 BADANIE OBWODÓW PRĄDU SINUSOIDALNEGO Z ELEMENTAMI RLC

WSTĘP DO ELEKTRONIKI

Transkrypt:

POZNAN UNIVE RSITY OF TE CNOOGY ACADE MIC JOURNAS No 84 Electrical Engineering 05 Seweryn MAZURKIEWICZ* Janusz WACZAK* ZMODYFIKOWANA METODA ANAIZY SZUMÓW WE WZMACNIACZAC OPERACYJNYC Artykuł dotyczy pewnej metody analizy szumów we wzmacniaczach operacyjnych. Omówiono podstawowe źródła szumów w układach elektronicznych. Przedstawiono rozszerzony model szumowy wzmacniacza operacyjnego. Podano zmodyikowaną metodę analizy szumów we wzmacniaczach operacyjnych z wykorzystaniem unkcji korelacji oraz widmowej gęstości mocy szumów. Wyznaczono i porównano wyjściowe napięcie szumów dwóch popularnych wzmacniaczy operacyjnych pracujących w układzie iltru dolnoprzepustowego. SŁOWA KUCZOWE: szumowa, szumy wzmacniaczy operacyjnych. WPROWADZENIE Szumy powstają między innymi w elementach przewodzących prąd elektryczny [4]. Nośnikami prąd elektrycznego są zazwyczaj elektrony swobodne lub dziury (w półprzewodnikach). Nośniki prądu podlegają prawom mechaniki kwantowej. Dlatego stosowne jest modelowanie ruchu nośników (prądu elektrycznego) za pomocą różnego rodzajów szumów z wykorzystaniem opisu probabilistycznego. W wzmacniaczach operacyjnych wyróżnia się [4] kilka rodzajów szumów: szum śrutowy występuje przy przepływie ładunków. Ma charakter szumu białego. Wariancja prądu szumów σ Ish po raz pierwszy obliczył Schottky []: q i ( )d () I ab D gdzie q ładunek elektronu równy,59e-9 C, i D () widmowa gęstość prądu, A /z. * Politechnika Śląska

Seweryn Mazurkiewicz, Janusz Walczak szum termiczny w temperaturze powyżej zera absolutnego występują losowe ruchy nośników. Przyczyną tych ruchów jest energia cieplna elektronów. Im wyższa temperatura tym większa energia. Napięcie szumów termicznych ma charakter szumu białego i wariancję tego napięcia σ UT wyraża wzór []: 4kTR d () U T gdzie k stała Boltzmanna równa,38e-3 J/K, T temperatura absolutna w stopniach Kelvina, natomiast R rezystancja w Ω. Istotne jest to, że napięcie szumów na elemencie istnieje nawet bez podłączonego żadnego innego zewnętrznego źródła napięcia czy prądu. Wariancja napięcia szumów termicznych jest niezależna od ilości połączonych (szeregowo lub równolegle) rezystorów jest zależna tylko od wypadkowej wartości rezystancji [4]. szum migotania ma charakter szumu różowego zwanego szumem /. Występuje w wszystkich układach aktywnych. Jest on najprawdopodobniej spowodowany niedoskonałością struktury krystalicznej półprzewodników. Intensywność tego szumu jest proporcjonalna do przepływającego prądu. Wariancję σ U napięcia tego szumu określa wzór []: U K d e (3) gdzie K e jest stałą układu. szum wybuchowy spowodowany jest poprzez niedokładny proces wytwarzania półprzewodników. Szum ten ma postać krótkich impulsów w przypadkowych momentach czasu. Szumy te minimalizuje się poprzez odpowiednią czystość procesu wytwarzania. szum lawinowy powstaje na złączu p-n spolaryzowanym zaporowo. Szumy te minimalizuje się poprzez unikanie stosowania złącz Zenera w syntezie struktur półprzewodnikowych. Na szumy wzmacniacza operacyjnego składa się wiele zależnych od siebie przyczyn. Dlatego w dokumentacji technicznej najczęściej podaje się wykres zależności napięcia (lub/i prądu) skutecznego szumu (odniesionego do wejścia) w unkcji częstotliwości. Na takim wykresie można wyróżnić dwa zakresy częstotliwości [4]: zakres małych częstotliwość, gdzie dominują szumy o charakterze szumu różowego, zakres większych częstotliwości, gdzie dominują szumy o charakterze szumu białego.

Zmodyikowana metoda analizy szumów we wzmacniaczach operacyjnych 3 Częstotliwość dla której wartość skuteczna szumu białego równa się wartości skutecznej szumu różowego nazywa się częstotliwością naroża NC [5]. Z powyższego wynika, że szum całkowity wzmacniacza operacyjnego można modelować, za pomocą sumy dwóch źródeł szumu: źródła szumu białego i źródła szumu różowego.. MODE SZUMOWY WZMACNIACZA OPERACYJNEGO W dokumentacjach podawane są wartości skuteczne napięć i prądów szumów odniesione do wejścia wzmacniacza operacyjnego [8, 9]. Szumy prądowe są modelowane przez źródła prądu włączane pomiędzy masę a każde z wejść wzmacniacza. Szumy napięciowe modelowane są przez źródło napięcia włączone szeregowo do wejścia nieodwracającego []. Analizowany w pracy model szumowy wzmacniacza operacyjnego pokazano na rysunku. Źródła prądu I PN oraz I PP modelują szum prądowy o charakterze szumu różowego. Źródła prądu I WN oraz I WP modelują szum prądowy o charakterze szumu białego. Źródło napięcia E P modeluje szum napięciowy o charakterze szumu różowego. Źródło napięcia E W modeluje szum napięciowy o charakterze szumu białego. Zakłada się, że wewnętrzny wzmacniacz operacyjny jest idealny, niegenerujący szumów i ma nieskończone wzmocnienie. Rys.. Model szumowy wzmacniacza operacyjnego Jeżeli impedancja podłączona do wejść wzmacniacza jest niewielka oraz wzmacniacz na wejściach ma tranzystory polowe to prądowe źródła szumów można pominąć [4].

4 Seweryn Mazurkiewicz, Janusz Walczak 3. METODA ANAIZY SZUMÓW WE WZMACNIACZU OPERACYJNYM Proponowaną metodę analizy szumów pokazano na przykładzie iltru dolnoprzepustowego. Dla uproszczenia pominięto prądowe źródła szumów oraz szumy elementów biernych. Skupiono się na analizie szumów samego wzmacniacza operacyjnego. W podobny sposób można rozszerzyć analizę o szumy elementów biernych dodając kolejne szumowe źródła napięcia lub prądu. Analizowany układ pokazano na rysunku. Rys.. Analizowany układ Analizę szumową przeprowadza się dla wymuszenia X(t)=0. Dla X(t)=0 równanie opisujące układ z rysunku wyraża poniższy wzór: dy( t ) de( t ) R R Y( t ) E( t ) (4) dt R C dt R R C E( t ) EP( t ) EW ( t ) (5) Zakładając, że szumy biały i różowy są statystycznie niezależne, szumy te są stacjonarne, transormuje się równanie (4) na równanie momentów. Transormacja ta [3] polega na zastosowaniu operatora wartości oczekiwanej do równania (4). Ostatecznie uzyskuje się deterministyczne równanie różniczkowe:

Zmodyikowana metoda analizy szumów we wzmacniaczach operacyjnych 5 dy ( ) d E( ) R R Y ( ) E( ) (6) d RC d RRC względem niewiadomej unkcji autokorelacji R Y (τ) procesu wyjściowego Y(t), przy czym: ( ) ( ) ( ) (7) E Istotną zaletą proponowanej metody jest zastąpienie stochastycznego równania różniczkowego (5), którego analiza jest trudna, znacznie prostszym deterministycznym równaniem różniczkowym. Ponadto unkcja autokorelacji szumu różowego nie jest dana wzorem analitycznym [] dlatego równanie (6) nie może być rozwiązane w sposób jawny. Stosując transormację Fouriera [0] do równania (6) otrzymuje się wzór na widmową gęstość mocy S Y (ω) procesu wyjściowego: ( ab ) ( ( a b )) SY ( ) S E( ) (8) a gdzie: R R a b (9) R C RRC S E (ω) widmowa gęstość mocy szumów, dana wzorem: S E ( ) C P CW (0) Stała C P związana jest z gęstością widmową szumu różowego, natomiast stała C W z gęstością widmową szumu białego. Można wykazać, że dla małych częstości ω << a równanie (8) przyjmuje postać: R SY ( ) ( )S E( ) () R Na podstawie schematu () można zauważyć, że: dla małych częstotliwości szumów kondensator C może być pominięty i układ zachowuje się jak klasyczny wzmacniacz nieodwracający o wzmocnieniu R /R. dla dużych częstotliwości szumów kondensator C stanowi zwarcie i układ zachowuje się jak klasyczny wtórnik napięcia. Wariancję szumu wyjściowego (w zadanym zakresie pulsacji od ω do ω ) można obliczyć za pomocą wzoru: E P Y (, ) SY ( )d ()

6 Seweryn Mazurkiewicz, Janusz Walczak Wartość skuteczną napięcia szumów na wyjściu wzmacniacza w zakresie pulsacji od ω do ω określa wzór []: E (, ) (, ) (3) Y 4. PRZYKŁAD Do porównania wyników badań wybrano dwa wzmacniacze operacyjne irmy Texas Instruments: OPA34 oraz OPA350. Wzmacniacze te są w podobnej klasie cenowej. W tabeli zebrano podstawowe inormacje o badanych wzmacniaczach [8, 9]. Tabela. Podstawowe dane katalogowe wzmacniaczy OPA34 i OPA350 OPA34 OPA350 Gęstość szumów, nv/ z 8 5 Pasmo, Mz 8 38 Prędkość narastania napięcia, V/μs 0 Typ wejścia FET FET Na rysunku 3 zamieszczono katalogowe wykresy gęstości szumu napięciowego i prądowego odniesionego do wejścia wzmacniacza operacyjnego. Korzystając z tych wykresów odczytano stałe C P i C W oraz umieszczono je w tabeli. Tabela. Stałe C P i C W wzmacniaczy OPA34 i OPA350 Y C P C W OPA34 8.E-6 V /z 64E-8 V /z OPA350 9E-3 V /z 5E-8 V /z Założono następujące parametry układu z rysunku : R = R = kω, C = 00 nf. Pulsacja graniczna równa jest ω g = /(R C ) = 0 4 rad/s. Uwzględniając równoważne pasmo szumów (eng. ENB) [4] obliczono gęstości widmowe mocy S E (ω), S Y (ω) oraz wartości skuteczne napięć szumów na wyjściu wzmacniaczy operacyjnych OPA34 i OPA350 w zakresie ω(0;5700) rad/s:. OPA34 E Y (0, 5700) =.5 μv.. OPA350 E Y (0, 5700) = 9 μv.

Zmodyikowana metoda analizy szumów we wzmacniaczach operacyjnych 7 Rys. 3. Widmowa gęstość szumu napięciowego na wyjściu iltru przy zastosowaniu OPA34 (lewy wykres) oraz OPA350 (prawy wykres) 5. PODSUMOWANIE W artykule rozważono problem analizy szumów we wzmacniaczach operacyjnych. Opisano metodę analizy szumów wykorzystującą unkcje korelacji oraz widmowe gęstości mocy w przykładowym układzie aktywnym iltrze dolnoprzepustowym. Pomimo, że nie istnieje jawny wzór na unkcje korelacji szumu różowego, możliwe jest obliczenie widmowej gęstości mocy szumu i wartości skutecznej napięcia szumu na wyjściu układu. Porównano właściwości układu pod względem szumowym stosując dwa popularne wzmacniacze operacyjne. Pomimo, że odczytane parametry z tabeli danych katalogowych wzmacniacza OPA350 są lepsze od wzmacniacza OPA34 to wzmacniacz ten ma większe napięcie szumów na wyjściu w badanym układzie. Spowodowane jest to wysoką składową szumu różowego, która to nie jest podawana w tabeli danych katalogowych. ITERATURA [] Kaulakys B.: S / noise rom nonlinear stochastic dierential equations. Physical Review E, vol. 8, Issue 3, 00, pp. - 0. [] Mancini R. (ed.): Op Amps or Everyone. Design Reerence: SOD006B, Texas Instruments, 00. [3] Mazurkiewicz S., Walczak J.: Random Dynamical Systems o the First Order. ecture Notes in Electrical Engineering - Springer, Vol. 34, 05, pp. 39-335.

8 Seweryn Mazurkiewicz, Janusz Walczak [4] Noise Analysis in Operational Ampliier Circuits. Application Report: SVA043B, Texas Instruments, 007. [5] Op Amp Noise. Tutorial: MT-047, ANAOG DEVICES, 008. [6] Op Amp Total Output Noise Calculations or Single-Pole System. Tutorial: MT- 049, ANAOG DEVICES, 008. [7] Op Amp Total Output Noise Calculations or Second-Order System. Tutorial: MT-050, ANAOG DEVICES, 008. [8] OPA34 igh Perormance AUDIO OPERATIONA AMPIFIERS. Technical Documentation: SBOS058, BURR-BROWN, 996. [9] OPA350 igh-speed, Single-Supply, Rail-to-Rail OPERATIONA AMPIFIERS. Technical Documentation: SBOS099C, BURR-BROWN, 000. [0] Soong T. T.: Random Dierential Equations in Science and Engineering. Math. in Science and Eng., Vol. 03, Academic Press, New York, 973. [] Xu J., Dai Y, Abbot D.: A Complete Operational Ampliier Noise Model: Analysis and Measurement o Correlation Coeicient. IEEE Trans. On CAS. Part I, Vol. 47, Issue 3, 00, pp. 40-44. MODIFIED METOD FOR NOISE ANAYSIS OF TE OPERATIONA AMPIFIERS In the article the modiied method o the noise analysis o the operational ampliiers is concerned. In the irst chapter the main noise sources o the electronic circuits is discusses. In the second chapter the extended operational ampliier noise model is presented. In the third chapter the modiied method or the noise analysis o the operational ampliiers using the correlation unction and the noise power spectral density is shown. The results are illustrated by examples.