Понимание и устранение шума 1 / f
В этой статье описывается шум 1 / f, а также способы уменьшения или исключения его в приложениях для точного измерения. Шум 1 / f не может быть отфильтрован и может быть предел для достижения наилучшей производительности в приложениях для точного измерения.
Что такое 1 / f Шум »// www.analog.com/en/products/amplifiers/operational-amplifiers/ADA4622-2.html?utm_source=AllAboutCircuits&utm_medium=industry-article&utm_campaign=understanding-and-eliminating-1-f-noise «target =" _ blank "> ADA4622-2 op-amp, показанный на рисунке 1, мы видим, что на графике видны две различные области. В левой части рис. 1 мы видим область шума 1 / f и справа от рисунка 1, мы можем видеть область широкополосного шума. Точка пересечения между шумом 1 / f и широкополосным шумом называется углом 1 / f
Рисунок 1. Спектральная плотность шума шума ADA4622-2
Как мы измеряем и определяем шум 1 / f?
После сравнения графиков плотности шума ряда операционных усилителей становится очевидным, что угол 1 / f может изменяться для каждого продукта. Чтобы легко сравнивать компоненты, мы должны использовать одну и ту же полосу пропускания при измерении шума каждого компонента. Для низкочастотных шумов напряжения стандартная спецификация представляет собой пиковый шум от 0, 1 Гц до 10 Гц. Для ОП-усилителей шум 0, 1 Гц-10 Гц может быть измерен с использованием схемы, показанной на рисунке 2.
Рисунок 2. Измерение низкочастотного шума
ОУ-усилитель помещается в конфигурацию обратной связи с единичным коэффициентом усиления с заземлением неинвертирующего входа. Операционный усилитель работает от раздельного питания, чтобы вход и выход были на земле.
Блок активного фильтра ограничивает полосу пропускания шума, который измеряется, одновременно обеспечивая коэффициент усиления 1000 к шуму от ОУ. Это гарантирует, что шум от тестируемого устройства является доминирующим источником шума. Смещение операционного усилителя не имеет значения, так как входной сигнал фильтра связан с переменным током.
Выход фильтра подключается к осциллографу, а напряжение от пика до пика измеряется в течение 10 секунд, чтобы обеспечить полную полосу пропускания от 0, 1 Гц до 10 Гц (1/10 с = 0, 1 Гц). Результаты, показанные в области, затем делятся на коэффициент усиления 1000 для расчета шума 0, 1 Гц - 10 Гц. На рисунке 3 показан шум от 0, 1 Гц до 10 Гц для ADA4622-2. ADA4622-2 имеет очень низкий, от 0, 1 Гц до 10 Гц шум всего 0, 75 мкВ pp.
Рисунок 3. Шумы 0, 1 Гц - 10 Гц, V SY = ± 15 В, G = 1000
Какое влияние оказывает 1 / f шум в моем окружении?
Общий шум в системе представляет собой объединенный шум 1 / f и широкополосный шум от каждого компонента в системе. Пассивные компоненты имеют шумы 1 / f, а шумы тока также имеют составляющую шума 1 / f. Однако для низких сопротивлений шумы шума и тока 1 / f обычно слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть. Эта статья будет посвящена только шуму напряжения.
Чтобы рассчитать общий системный шум, мы вычисляем шум 1 / f и широкополосный шум, а затем объединяем их. Если мы используем спецификацию шума 0, 1 Гц - 10 Гц для расчета шума 1 / f, то мы предполагаем, что угол 1 / f ниже 10 Гц. Если угол 1 / f превышает 10 Гц, мы можем оценить шум 1 / f, используя следующую формулу: 3
где:
e n1Hz - плотность шума при 1 Гц, f h - угловая частота шума 1 / f, f l - 1 / апертурное время.
Например, если мы хотим оценить шум 1 / f для ADA4622-2, то fh составляет около 60 Гц. Положим fl равным 1 / апертурному времени. Время апертуры - это общее время измерения. Если мы установим время апертуры или время измерения на 10 секунд, то на 0, 1 Гц. Плотность шума при 1 Гц, en1Hz составляет примерно 55 нВнцц. Это дает нам результат 139 nVrms между 0, 1 Гц и 60 Гц. Чтобы преобразовать это значение в пик-пик, мы должны умножить на 6.6, что даст нам приблизительно 0, 92 мкВ стр. 4 Это примерно на 23% выше, чем спецификация от 0, 1 Гц до 10 Гц.
Широкополосный шум может быть рассчитан по следующей формуле:
где:
e n - плотность шума на частоте 1 кГц, NEBW - это эквивалентная ширина шума.
Эквивалентная ширина шума учитывает дополнительный шум за пределами частоты отсечки фильтра из-за постепенного сползания фильтра. Эквивалентная ширина шума зависит от количества полюсов в фильтре и типа фильтра. Для простого однополюсного фильтра Баттерворта с низким проходом NEBW составляет отсечку фильтра 1, 57 ×.
Широкополосный среднеквадратичный шум для ADA4622-2 составляет всего 12 нвгц на частоте 1 кГц. Используя простой RC-фильтр на выходе с частотой среза 1 кГц, широкополосный среднеквадратичный шум составляет приблизительно 475, 5 нВ среднеквадратичного значения и может быть рассчитан следующим образом:
Обратите внимание, что простой низкочастотный RC-фильтр имеет такую же передаточную функцию, как однополюсный фильтр низких частот Баттерворта.
Чтобы получить общий шум, мы должны добавить шум 1 / f и широкополосный шум. Для этого мы можем использовать квадратный метод корневых сумм, поскольку источники шума некоррелированы.
Используя это уравнение, мы можем рассчитать общий среднеквадратичный шум ADA4622-2 с простым 1 кГц, низкочастотным RC-фильтром на выходе, равным 495.4 nV rms. Это чуть более 4% выше шума, чем только широкополосный шум. Из этого примера видно, что шум 1 / f влияет на системы, которые измеряют от постоянного тока до очень низкой полосы пропускания. Как только вы выходите за пределы 1 / f примерно на десятилетие или более, вклад шума 1 / f в общий шум становится почти слишком маленьким, чтобы беспокоиться.
Поскольку шум суммируется вместе как квадрат корневой суммы, мы можем решить игнорировать меньший источник шума, если он ниже примерно 1/5- го из большего источника шума, поскольку ниже отношения 1/5 объема шума составляет около 1 % увеличения общего шума. 5
Как удалить или смягчить шум 1 / f?
Стабилизация прерывателя или измельчение - это метод снижения напряжения смещения усилителя. Однако, поскольку шум 1 / f находится вблизи низкочастотного шума постоянного тока, он также эффективно уменьшается по этой методике. Стабилизация прерывателя работает путем чередования или измельчения входных сигналов на входном каскаде, а затем снова измельчения сигналов на выходном каскаде. Это эквивалентно модуляции с использованием прямоугольной волны.
Рисунок 4. Архитектурная схема архитектуры ADA4522
Ссылаясь на блок-схему архитектуры ADA4522, показанную на рисунке 4, входной сигнал модулируется до частоты измельчения на этапе CHOPIN. На этапе CHOPOUT входной сигнал синхронно демодулируется обратно на его исходную частоту, и одновременно смещение и 1 / f шум входного каскада усилителя модулируются до частоты измельчения. В дополнение к уменьшению начального напряжения смещения изменение смещения по сравнению с синфазным напряжением уменьшается, что приводит к очень хорошей линейной скорости постоянного тока и высокочастотному коэффициенту отклонений (CMRR). Измельчение также уменьшает смещение напряжения смещения против температуры. По этой причине усилители, которые используют измельчение, часто называются усилителями с нулевым дрейфом. Следует отметить, что усилители с нулевым дрейфом устраняют только 1 / f-шум усилителя. Любой шум 1 / f из других источников, таких как датчик, будет проходить через незатронутые.
Компромисс для использования измельчения заключается в том, что он вводит артефакты переключения в выходной сигнал и увеличивает ток смещения входа. Глюки и рябь видны на выходе усилителя при просмотре на осциллографе, и шумовые всплески видны в спектральной плотности шума при просмотре с использованием анализатора спектра. Новейшие усилители с нулевым дрейфом от Analog Devices, такие как семейство усилителей с нулевым дрейфом ADA4522 55 V, используют запатентованную схему контура коррекции смещения и пульсаций, чтобы минимизировать переключение артефактов. 6
Рисунок 5. Шумы выходного напряжения во временной области
Измельчение также может быть применено к измерительным усилителям и АЦП. Такие продукты, как настоящий усилитель AD8237, усилитель с нулевым дрейфом, новый AD7124-4 с низким уровнем шума и низким энергопотреблением, 24-бит Σ-Δ ADC и недавно выпущенный сверхнизкий шум AD7177-2, 32-разрядный Σ-Δ ADC, используйте измельчение для устранения шума 1 / f и минимизации дрейфа в зависимости от температуры.
Одним из недостатков использования прямоугольной волновой модуляции является то, что квадратные волны содержат много гармоник. Шум на каждой гармонике будет демодулироваться обратно на постоянный ток. Если вместо этого используется синусоидальная модуляция, то этот подход гораздо менее восприимчив к шуму и может восстанавливать очень малые сигналы в настоящем из-за большого шума или помех. Это подход, используемый блокирующими усилителями. 7
Рисунок 6. Измерение поверхностного загрязнения с помощью блокирующего усилителя
В примере, показанном на рисунке 6, выходной сигнал датчика модулируется с использованием синусоидальной волны для управления источником света. Для обнаружения сигнала используется схема фотоприемника. Как только сигнал проходит через стадию формирования сигнала, он может быть демодулирован. Эта же синусоидальная волна используется для модуляции и демодуляции сигнала. Демодуляция возвращает выход датчика на постоянный ток, но также сдвигает шум 1 / f ступени формирования сигнала на частоту модуляции. Демодуляция может быть выполнена в аналоговом или цифровом домене после преобразования АЦП. Очень узкий фильтр нижних частот, например 0, 01 Гц, используется для отклонения шума выше постоянного тока, и мы получаем только исходный выход датчика с чрезвычайно низким уровнем шума. Это зависит от выходного сигнала датчика, равного точно постоянному току, поэтому важны точность и точность синусоидальной волны. Этот подход исключает 1 / f-шум схемы формирования сигнала, но не устраняет шум 1 / f датчика.
Если датчик требует сигнала возбуждения, то можно устранить шум 1 / f от датчика с использованием переменного возбуждения. Возбуждение переменного тока работает путем чередования источника возбуждения датчика для получения прямоугольной волны, выводимой из датчика, и затем вычитания выхода из каждой фазы возбуждения. Такой подход не только позволяет исключить 1 / f-шум датчика, но также исключает смещение в датчике смещения и устраняет нежелательные эффекты паразитных термопары. 8
Рисунок 7. Возбуждение переменного тока мостового датчика
Возбуждение переменного тока может быть выполнено с использованием дискретных переключателей и управления ими с помощью микроконтроллера. Низкошумящий, низкий дрейф AD7195, 24-бит Σ-Δ ADC с внутренними PGA включали в себя драйверы для реализации переменного возбуждения датчика. АЦП управляет возбуждением переменного тока прозрачно, синхронизируя возбуждение датчика с конверсиями АЦП, что упрощает использование переменного возбуждения.
Рисунок 8. CN-0155-Precision весовая шкала с использованием 24-битного Σ-Δ ADC с внутренним возбуждением PGA и ac
Реализация
При использовании усилителей с нулевым дрейфом и АЦП с нулевым дрейфом очень важно знать частоту измельчения каждого компонента и возможность возникновения интермодуляционных искажений (IMD). При объединении двух сигналов результирующая форма сигнала будет содержать исходные два сигнала, а также сумму и разность этих двух сигналов.
Например, если мы рассмотрим простую схему с использованием усилителя с нулевым дрейфом ADA4522-2 и ADC AD7177-2 Σ-Δ, частоты измельчения каждой части будут смешиваться и создавать суммарные и разностные сигналы. ADA4522-2 имеет частоту коммутации 800 кГц, в то время как AD7177-2 имеет частоту коммутации 250 кГц. Смешение этих двух частот переключения вызовет дополнительные артефакты переключения на частотах 550 кГц и 1050 кГц. В этом случае максимальная угловая частота AD7177-2 цифрового фильтра, 2, 6 кГц, намного ниже самого низкого артефакта и удалит все эти артефакты IMD. Однако, если два одинаковых усилителя с нулевым дрейфом используются последовательно, создаваемый IMD будет иметь разницу во внутренней тактовой частоте деталей. Это различие может быть небольшим, и поэтому IMD будет казаться гораздо ближе к постоянному току и, скорее всего, попадет в интересующую полосу пропускания.
В любом случае важно учитывать IMD при проектировании системы, использующей нулевые дрейфы или измельченные детали. Следует отметить, что большинство усилителей с нулевым дрейфом имеют гораздо более низкие частоты переключения, чем ADA4522-2. Фактически, высокая частота переключения является ключевым преимуществом использования семейства ADA4522 при проектировании цепей точных сигналов.
Вывод
Шум 1 / f может ограничивать производительность в любой цепочки сигналов постоянного тока. Однако его можно удалить, используя такие методы, как измельчение и возбуждение. Существуют некоторые компромиссы с использованием этих методов, но современные усилители и преобразователи Σ-Δ решают эти проблемы, делая продукты с дрейфом нуля более удобными в более широком спектре конечных приложений.
Рекомендации
1. WH Нажмите. «Мерцающие шумы в астрономии и в других местах». Комментарии в Astrophysics, 1978. (PDF)
2. Ф. Хоге. «1 / f Noise Sources». IEEE Transactions на электронных устройствах, том 41, 11., 1994.
3. MT-048. «Сопротивление шумоподавления: 1 / f Шум, шум RMS и пропускная способность эквивалентного шума». Analog Devices, 2009. (PDF)
4. Уолт Юнг. «Справочник по операционным усилителям». Newnes, 2005.
5. MT-047. «Op Amp Noise». Analog Devices, 2009. (PDF)
6. Кусуда Вонг. «Усилители с нулевым дрейфом: теперь они удобны в высокоточных цепях». Analog Dialogue, том 49, 2015.
7. Луис Ороско. «Синхронные детекторы облегчают точные измерения низкого уровня». Analog Dialogue, том 48, 2014.
8. Альберт О'Грейди. «Методы возбуждения и измерения датчика / датчика». Analog Dialogue, том 34, 2000.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.