Szumy wzmacniaczy operacyjnych Cel ćwiczenia Program

Laboratorium Elektroniczne WFiIS
Szumy wzm. operacyjnych
Szumy wzmacniaczy operacyjnych
wersja: 04.2013
P. Wiącek
Cel ćwiczenia
Analiza szumowa prostych układów elektronicznych. Pomiar gęstości widmowej mocy szumów.
Wyznaczenie ekwiwalentnych szumów wejściowych wzmacniacza operacyjnego.
Program ćwiczenia
Pomiar widma szumowego (gęstości widmowej mocy szumów) wzmacniacza operacyjnego
Schemat szumowy wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji wtórnika przedstawia rysunek 1.
4kTRf
Rf
<Ven>
U1
<Ien>
<Vout>
GND
GND
GND
Rys. 1. Schemat szumowy wtórnika napięciowego.
Gęstość widmowa mocy szumów na wyjściu badanego układu jest superpozycją poszczególnych
przyczynków:
2
d Vout
df
gdzie:
d ien2
= 4kTR f +
d ien2
df
2
f
R +
d Ven2
(1)
df
d Ven2
,
są odpowiednio gęstością widmową ekwiwalentnych szumów wejściowych
df
df
prądowych i napięciowych.
Przy założeniu rzeczywistych wartości ekwiwalentów szumowych wzmacniacza oraz rezystancji Rf
d Ven2
(Rf > 1kΩ) składnik odpowiedzialny za przyczynek od ekwiwalentnych napięciowych szumów
df
jest do pominięcia. Ostatecznie szumy na wyjściu określa uproszczona formuła:
2
d Vout
df
= 4kTR f +
d ien2
df
R 2f
(2)
Strona 1 z 3
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
Szumy wzm. operacyjnych
2
d Vout
df
= f ( R f ) można dokładnie określić wartość ekwiwalentnych
Rf
szumów prądowych dla konkretnej częstotliwości pasma.
Wyznaczając zależność
Schemat ideowy wtórnika wykorzystywany w ćwiczeniu przedstawia rysunek 2. Proszę zwrócić uwagę
na występowanie bieguna 1/RfCf.
Cf
1pF
Rf
U1
ADA4897-1
<Vout>
GND
GND
Rys. 2. Schemat ideowy wtórnika wykorzystywanego w ćwiczeniu.
Do wykonania ćwiczenia skompletować stanowisko pomiarowe jak na rysunku 3.
+5V
1
-5V
Analizator widma
HP4145B
Oscyloskop
Agilent MSOX
Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego do pomiarów widm szumowych wtórnika napięciowego.
Ćwiczenie wykonać zgodnie z poniższymi punktami:
1. Pomiar widma szumowego analizatora (pomiar tła).
Przy pomiarze widma szumowego analizatora do wejścia pomiarowego podłączyć terminację
50Ω. Wykonać sekwencję pomiarową widma szumowego samego analizatora w ustalonym
zakresie częstotliwości (np. 10kHz – 10MHz). Dla zapewnienia dokładniejszych pomiarów
sekwencję pomiaru widma powtórzyć kilkakrotnie (np. 100 razy) a wynik ostateczny uśrednić.
Funkcjonalnie należy uruchomić program pomiarów sekwencyjnych z uśrednianiem zawarty w
analizatorze HP4145B o nazwie „AVE100”. Wynik ostateczny widma szumowego zapisać.
2. Pomiar widma szumowego wtórnika napięciowego dla różnych wartość rezystora Rf.
Przykładowe wartości Rf: 10kΩ, 50kΩ, 100kΩ, 200kΩ..
Połączyć tylko analizator widma do wyjścia wtórnika. W analogiczny sposób jak poprzednio
dokonać pomiaru widm szumowych. Wyniki uśrednionych pomiarów dla kolejnych wartości Rf
zapisać.
3. Pomiar wartości skutecznej szumów na wyjściu: Vout rms.
Strona 2 z 3
Laboratorium Elektroniczne WFiIS
Szumy wzm. operacyjnych
Połączyć do wyjścia wtórnika tylko oscyloskop. Za pomocą oscyloskopu zmierzyć wartość
skuteczną szumów (pierwiastek wartości średnio-kwadratowej – AC RMS-Full Screen). Pomiary
wykonać dla wszystkich przebadanych rezystancji Rf.
Opracowanie wyników:
1. Od pomiarów widmowych dla poszczególnych wartości Rf odpowiednio odjąć poziom szumów
tła.
2. Zaprezentować rozkład gęstości widmowej mocy szumów dla poszczególnych wartości Rf.
Wynik porównać z widmem teoretycznym, pamiętając o ograniczeniu pasma jednobiegunową
funkcją przenoszenia.
3. Zaprezentować rozkład ekwiwalentnych szumów prądowych na wejściu dzieląc gęstość
widmową napięciowych szumów wyjściowych przez odpowiedni czynnik. Wynik porównać z
równoważnym wykresem z noty katalogowej wzmacniacza operacyjnego. Pamiętać o
ograniczeniu pasma jednobiegunową funkcją przenoszenia.
4. Z obszaru częstotliwości gdzie dominują tylko szumy białe (np. 10kHz – 100kHz) wyznaczyć
średnią wartość szumów dla poszczególnych Rf.
2
d Vout
5. Wykreślić zależność liniową:
df
Rf
= f ( R f ) . Z odpowiedniego parametru fitu liniowego
wyznaczyć wartość ekwiwalentnego szumu prądowego ien . Wynik porównać z wartością
katalogową.
6. Na podstawie widm szumowych wyznaczyć wartości skuteczne szumów na wyjściu (Vout rms).
Wyniki porównać z wartościami zmierzonymi przy pomocy oscyloskopu.
Strona 3 z 3