Brus i operationsförstärkarkopplingar

[psynoise]

Boken The sound of silence behandlar brus i audiokopplingar. Tyvärr tycker jag beräkningarna är svåra att följa och hittar inte precis det jag själv önskar. Envis som man är tog jag själv tag i beräkningarna på en inverterande operationsförstärkarkoppling inom audiobandet. Se bifogad fil för uträkningarna.

I mån av lust kommer jag komplettera dokumentet med icke inverterande koppling samt eventuellt skriva en tråd i FAQ/Guide kategorin.

Om ni hittar några lustigheter eller fel säg gärna till då. Fråga även på om något är oklart. Som referens kan jag rekommendera

Carter, B. (2001) Op Amp Noise Theory and Applications. I Op Amps For Everyone, red. Mancini, R. 10-1 till 10-24. Dallas, Texas: Texas Instrument.

Bilagor

beräkningar-datum.pdf visar generellt för olika operationsförstärkarkopplingar.

audiosignalförstärkare-datum.pdf visar beräkningar över en småsignalsförstärkare lämplig till audiosystem.

[4kTRB]

Så du har fått tag i boken.
Om det är komplicerade beräkningar beror det nog på att
man behöver läsa på mer grundläggande.
Vore kul att läsa den boken.

Texas har fler bra PDF. Tex:
http://focus.ti.com/general/docs/litabs ... r=slva043b
och
http://focus.ti.com/lit/an/slyt094/slyt094.pdf

National har en AN-104

[psynoise]

The sound of silence läser jag via Chalmers bibliotek bara. Dock är det nog mer bokens stil i presentationen som jag ej gillar. Vågar man använda formlerna i boken direkt är det inga problem, dock är jag lite skeptisk och förstår inte var allt kommer ifrån. Men men, hade jag läst den mer ingående hade det kanske gått bättre. Nu är jag van att skumläsa böcker snabbt och tyvärr fungerar inte alla skrifter bra till det.

[ghu]

psynoise:

Sista sambandet som ger Eut=1,24 uV är felaktigt.
Bara OP:ns bidrag till brusspänningen ut är ca 2*eNu1=1,4 uV.

Felet du gjort är att kvadratiskt addera två brusspänningar som ej är oberoende.
I sambandet för Eut förekommer eNu1 två gånger och de är ej oberoende och kan ej adderas kvadratiskt. Det blir korrekt om du skriver om Eut så att du bara har med eNu1 EN gång och ej delar upp eNu1 i två termer!

[4kTRB]

I din beräkning av bruset för NE5532 så använder du data
för 1kHz. Men jag tror att du får mer brus ut över området
20Hz till 20kHz då data för brus vid 30Hz är högre.

Jag ska simulera en NE5534 i LT Spice och se vad resultatet blir.
NE5534 har lite lägre brusdata.

[ghu]

Det blir inget större fel om man använder brustätheten vid 1 kHz för hela området 20 Hz - 20 kHz eftersom området 1kHz- 20 kHz motsvarar 19 kHz av den totala bandbredden om 20 kHz.

Observera att då man använder LTSPICE får man oftast lägre brus än det verkliga bruset vilket beror på att den makromodell som oftast används som OP-modell inte tar hänsyn till alla bruskällor i OP:n. Bruset från motstånden blir däremot helt korrekt modellerat.

[4kTRB]

Jag antar LT-Spice tar hänsyn till hur bruset fördelar sig
över frekvensspektrat och då fås 1.9uV brus mellan 20Hz till 20kHz
med en NE5534. Nu vet jag inte om detta är en riktigt utförd analys
men jag tittade på ett av exemplen som följer med LT och försökte
utföra det hela på liknande sätt.

[4kTRB]

Det blir inget större fel om man använder brustätheten vid 1 kHz för hela området 20 Hz - 20 kHz eftersom området 1kHz- 20 kHz motsvarar 19 kHz av den totala bandbredden om 20 kHz.

Observera att då man använder LTSPICE får man oftast lägre brus än det verkliga bruset vilket beror på att den makromodell som oftast används som OP-modell inte tar hänsyn till alla bruskällor i OP:n. Bruset från motstånden blir däremot helt korrekt modellerat.

Men tänk på att bruset faktisk är en hel del mycket högre vid låga frekvenser.
Så det har betydelse.

Om jag tar området 10kHz till 20kHz fås följande resultat:

total_output_refered_rms_noise: INTEG(v(onoise))=1.35048e-006 FROM 10000 TO 20000

[SvenW]

Har alltid trott att termen shot noise kom från shot som i shotgun.
Hagelskott. Det heter hagelbrus på svenska.

Det står i artikeln (Carter) att namnet kommer från Schottky.

Det står emellertid här:
http://lorentz.leidenuniv.nl/beenakkr/m ... y_2003.pdf

"The term “shot noise” draws an analogy between elec-
trons and the small pellets of lead that hunters use for
a single charge of a gun. The analogy is due to Wal-
ter Schottky, who predicted in 1918 that a vacuum tube
would have two intrinsic sources of time-dependent cur-
rent fluctuations ... "

Så båda förklaringarna är väl rätt.
Inte från namnet Schottky dock.

[4kTRB]

Fast jag undrar om alla modeller tar hänsyn till
bruset vid olika frekvens för jag testade med
2 st olika 100Hz intervall:

total_output_refered_rms_noise: INTEG(v(onoise))=1.35048e-007 FROM 950 TO 1050

total_output_refered_rms_noise: INTEG(v(onoise))=1.35048e-007 FROM 20 TO 120

Samma resultat.

I manualen till LT finns att läsa:

• .NOISE -- Perform a Noise Analysis
  
  
  This is a frequency domain analysis that computes the noise due to Johnson, shot and flicker noise. The output data is noise spectral density per unit square root bandwidth.

[ghu]

4kTRB:
Som du kan se i din figur över V[onoise] är brustätheten i OP modellen helt oberoende av frekvensen. Det beror som jag nämnde förut på att OP-modellen i brushänseende inte är komplett d v s den tar t ex inte hänsyn till s k 1/f-brus vilket är bruset som som ger större brustäthet vid låga frekvenser.

Men tänk på att bruset faktisk är en hel del mycket högre vid låga frekvenser.
Så det har betydelse.

Det spelar faktiskt inte så stor roll att brustätheten är högre vid låga frekvenser så länge som totala bandbredden är mycket större än frekvensen där 1/f bruset börjar göra sig märkbar.
Prova själv i LTSPICE och se hur mycket brus du erhåller i intervallet 20Hz - 1 kHz jämfört med intervallet 1kHz- 20 KHz.

Saken hade kommit i ett helt annat läge om frekvensområdet hade varit t ex 20Hz-2 kHz

[4kTRB]

Jag ser att om jag byter ut OP:n mot en LT1013 så fås
en riktigare kurva som ökar bruset mellan 20Hz och 1kHz.
Så där finns alla data med i modellen.

Det blir inte mycket ökning i området 20Hz till 20kHz men
beroende på vad man ska använda kopplingen till och man
jagar låga brusvärden så bör man ha med brusökningen vid
låga frekvenser i sina kalkyler. Finns kanske risk annars att
man blir besviken med sin nya RIAA-förstärkare.

[psynoise]

ghu:

Jag tackar så mycket för påpekandet. Såg även nu att förenklingen var ej matematiskt korrekt . Men nu borde det stämma enligt följande

ekv01.png

Uträknat med följande Matlab/Octave-kod

Kod: Markera allt

ES = 0;
RS = 100;
R1 = 10^3;
R2 = 10^3;
B = 20*10^3-20;

vn = 5*10^-9;
in = 0.7*10^-12;

k = 1.38*10^-23;
T = 298;

eNU1 = sqrt(B)*vn;
iNU1 = sqrt(B)*in;

eNRS = sqrt(4*k*T*RS*B);
eNR1 = sqrt(4*k*T*R1*B);
eNR2 = sqrt(4*k*T*R2*B);

Eut = sqrt((R2/(RS+R1))^2*(ES^2+eNRS^2+eNR1^2)+(R2*iNU1)^2+eNR2^2+((1+R2/(RS+R1))*eNU1)^2)

4kTRB:

För att räkna med 1/f-brus skulle jag kunna räkna om eNU1 på ett lämpligt sätt. Dock får det bli en annan gång.

[4kTRB]

Det finns några saker i dina beräkningar som man kanske bör tänka på.

En är att om du bestämmer dig för en bandbredd som slutar vid
20kHz så måste du ha ett idealt brant filter. I praktiken har man
inte det och förstärkningsbandbredd är inte samma sak som brusbandbredd.

Om du har ett första ordningens LP med gränsfrekvens 20kHz (-20dB/dekad)
så blir brusbandbredden 20000 x pi/2 Det samma gäller för den undre brytfrekvensen
men spelar ingen praktisk roll om det är 20Hz eller 1Hz i exemplet du räknar på.

Och om man nu har ett instrument som mäter bruset på utgången som innehåller ett
RC LP-filter så får man ta hänsyn till att även den resistorn brusar. Dra ifrån eller lägga
till.

Jag har räknat en del på NE5532 med hänsyn till 1/f bruset och kommer i princip fram
till samma värde som i ditt exempel. Fast jag behöver ta reda på lite mer för att vara
säker på att jag gjort rätt. Ska läsa lite mer. Jag hämtar data från Philips datablad.

[psynoise]

Det där med bandbredden hade jag inte tänkt på men nu när du säger det känner jag igen problemet, tack. Bob Pease säger i en videoshow att man inte kan ha både stor bandbredd och lågt brus.

Brus över 20 kHz minskar dynamiken även om man inte kan höra det. Eftersom ett analogt audiosystem brukar ha RF-filter på både ingången och utgången runt 100 kHz borde man kunna ta med det i räkningarna. Men var kan jag läsa mer om uträkningar som 20000 x pi/2 ?