reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Technologie | 29 marca 2017

11 mitów o analizie szumów w układach analogowych

Szumy to często dość istotny problem w układach analogowych. Tym istotniejszy, im bardziej precyzyjny i dokładny ma być układ.
Jest wiele sposobów na niwelację szumu, lecz nie wszystkie są dobre lub uniwersalne. Niestety, jest z tym wiele zamieszania i czasem napotykamy masę błędnych informacji o tym, jak sobie radzić z tym problemem. To może prowadzić do obniżenia wydajności, zbytniego skomplikowania układu lub nieefektywnego wykorzystania dostępnych surowców. W artykule tym, bazującym na opracowaniu Scotta Hunta z Analog Devices, postaramy się przybliżyć Wam ten problem, przedstawiając 11 mitów, które dotykają tego problemu i związane są z analizą szumów, analizując konkretny przykład układu.

1. Zmniejszenie rezystancji zawsze wpłynie na obniżenie szumów i poprawę wydajności

To znana zależność. Poziom szumów (napięcia) wzrasta, wraz ze wzrostem rezystancji, zgodnie z równaniem Johnsona:

Równanie to skłania wielu inżynierów do konkluzji, że trzeba obniżać rezystancję, by zredukować poziom szumów. Czasem to rozwiązanie się sprawdza, choć nie we wszystkich przypadkach. Czasem bowiem zdarza się, że aby skutecznie zredukować poziom szumów, rezystancję trzeba podnieść. Wszystko zależy od specyficznych parametrów danego układu.

Przykładem na to mogą być układy pomiaru natężenia prądu. Jak wiadomo, układy takie często opierają się na pomiarze napięcia na rezystorze, przez który płynie mierzony prąd, zgodnie z prawem Ohma. Tutaj jednak, aby poprawić SNR o około 3 dB, należało by podnieść rezystancję dwukrotnie. Można to czynić, dopóki napięcie nie będzie zbyt duże lub moc rozpraszana nie będzie zbyt wysoka, prowadząca do przegrzania rezystora.

2. Gęstość spektralna szumów może być sumowana ze wszystkich źródeł szumów, a pasmo może być brane do rozrachunku pod koniec obliczeń.

Aby zaoszczędzić sobie czas, gęstość spektralna szumów NSD (nV/√Hz) wielu takich źródeł jest sumowana, zamiast liczona oddzielnie z każdego ze źródeł szumów z osobna. Takie uproszczenie może być jednak stosowane w obrębie tego samego pasma pracy. Takie podejście może być zdradliwe, jeśli każde ze źródeł nieco inaczej pracuje. Poniższy rysunek pokazuje na czym może polegać problem i z czym może się to wiązać.



Z gęstości spektralnej szumu wynika, że wzmacniacz dominuje w tym układzie w kwestii zaszumienia. Jeśli jednak pod uwagę weźmiemy pasmo, okazuje się, że poziom szumów (rms) każdego ze stopnia jest bardzo zbliżony.

3. To bardzo ważne, by zawrzeć w obliczeniach każde ze źródeł szumów.

Wzięcie pod uwagę każdego ze źródeł szumów do obliczeń jest bardzo kuszące, lecz też bardzo czasochłonne, a czas projektanta jest bardzo cenny. Gdy będziemy chcieli uwzględnić każde takie źródło okaże się, że czas opracowania układu będzie niezwykle długi, co będzie problemem zwłaszcza w przypadku większych aplikacji. Aby sobie pomóc, najlepiej skorzystać z symulatorów.

Układ trzeba jednak zaprojektować. Jak więc to zrobić dobrze, by wziąć pod uwagę poziom szumów i nie stracić na to zbyt wiele czasu? Można pominąć te mniej istotne źródła szumów. Propozycja od Analog Devices jest taka, by na etapie ręcznych wyliczeń pominąć te, których poziom zaszumienia nie przekracza 1/5 wartości eRMS. Takie źródła będą produkować mniej niż 2% szumów, więc mogą zostać pominięte na tym etapie. Choć projektanci spierają się co do tej granicy odcięcia (podając wartości odpowiadające poziomom od 0.5 do 5%), istotnym pozostaje to, że do czasu stworzenia gotowego układu, nawet na potrzeby symulacji, nie będziemy w stanie w sensownym czasie i dużą dokładnością stwierdzić, jak małe źródła wpływają na ogólny poziom zaszumienia.

4. Wybierz sterownik ADC o poziomie szumów około 1/10 tego, co oferuje sam ADC

W dokumentacjach technicznych konwerterów analogowo-cyfrowych (ADC) można wyczytać sugestię, by na wejściu podawać sygnały, których poziom zaszumienia nie przekracza 1/10 tego, co generuje sam ADC. Jednakże nie zawsze należałoby się tym kierować. Warto pójść czasem na kompromis i spojrzeć na cały system.

Jeśli bowiem poziom szumów w całym układzie będzie dość duży, to zastosowanie nawet najlepszego sterownika ADC pod względem niskiego poziomu szumów, nie poprawi nam parametrów pracy całego toru. Warto więc dobrać taki sterownik, który będzie współgrał z pozostałymi elementami systemu.

Warto czasem pójść na taki kompromis zwłaszcza w przypadku prostszych układów, np. takich, gdzie na wejście ADC podawany jest sygnał wprost ze wzmacniacza. Posłużmy się pewnym przykładem z liczbami. Wyobraźmy sobie 16-bitowy ADC, którego SNR wynosi około 100 uV (rms), podczas gdy podłączony do niego wzmacniacz (pełniące rolę sterownika ADC), generuje szumy na poziomie 10 uV (rms). Poziom zaszumienia obu tych elementów wynosić będzie około 100.5 uV, czyli bardzo blisko wartości samego ADC.

Jeśli jednak zmienimy ADC na podobny, 18-bitowy układ typu SAR ADC, o poziomie SNR 40 uV (rms), całkowity poziom zaszumienia takiego układu wyniesie wtedy około 41 uV. Jeśli jednak zmienimy wzmacniacz na taki o poziomie 30 uV, poziom szumów wyniesie 104 uV. Jeden z tych kompromisów będzie lepszy od drugiego, w zależności od tego, co chcemy uzyskać.

5. W układach DC zawsze powinno się brać pod uwagę szumy 1/f

Szum 1/f jest groźny w układach o niskiej częstotliwości pracy, ponieważ opiera się wielu technikom niwelowania tego szumu (np. filtry dolnoprzepustowe). Jednakże w wielu układach DC dominującym szumem jest szum biały. W takich układach nie warto się przejmować szumem 1/f, gdyż nie wlicza się on do całkowitego poziomu zaszumienia.

Ponadto, im większe pasmo, tym wpływ szumów 1/f na końcowy rozrachunek i jego wpływ na całościowy poziom szumów w projektowanym układzie spada, aż do nieistotnych pojedynczych procentów. Co więcej, nowoczesne wzmacniacze bipolarne są tak skonstruowane, by niwelować wpływ tego parametru na pracę całego układu, a wzmacniacze o zerowym dryfcie całkowicie eliminują wpływ szumu 1/f na układ.



6. Skoro szum 1/f rośnie przy niskich częstotliwościach, to szum w układach DC musi być nieskończony

Chociaż analizowanie układów DC może być wygodne, prawda jest taka, że nie istnieje coś takiego jak układy, pracujące przy częstotliwości 0 Hz. Częstotliwość wprawdzie może spadać do zera, a okres rosnąć do nieskończoności, to tego nigdy nie osiągnie w praktyce. Chodzi tu bardziej o częstotliwość minimalną, która wiąże się z układami DC i tym, co jesteśmy w stanie zaobserwować lub zmierzyć.

Ta częstotliwość minimalna zależy od czasu akwizycji, czasu uruchomienia czy czasu obserwacji parametrów wyjściowych układu. Jeśli daną aplikację uruchomimy i zaczniemy w tym czasie jej obserwację, to częstotliwość minimalna układu wyniesie 0.01 Hz.

Można więc założyć sobie pewną umowną granicę częstotliwości minimalnej, by obliczenia były praktyczne. Jeśli bowiem będziemy obniżać częstotliwość w nieskończoność, rosnąć będzie też wpływ szumów 1/f i zwiększać będzie poziom zaszumienia. Np. przy analizie szumów o częstotliwości minimalnej 0.01 Hz i 1 nHz, możemy zauważyć, że poziom szumów (ze względu na szumy 1/f) wzrasta nam o 55%. W praktyce, w układach pracujących długo większym problemem staje się efekt dryfu oraz samo starzenie się elementów układu.

7. NEB

NEB (Noise Equivalent Bandwidth) jest wygodnym uproszczenie w liczeniu poziomu szumów. Część szumów spoza rozpatrywanego pasma układu jest w stanie dotrzeć do układu ponieważ wzmocnienie ponad częstotliwością obcięcia nie jest zerowe. NEB to częstotliwość obcięcia dla idealnego filtra, lecz pozwala uwzględnić część szumu, który do układu i tak się wedrze. NEB jest większe niż -3 dB pasma i zostało obliczone dla popularnych filtrów.

Przykładowo, dla 1-stopniowego filtra dolnoprzepustowego wynosić o 1.57 raza więcej, niż powyższa wartość, czyli: NEB1-pole = 1.57 x BW3dB. Jednakże często jest sporo wątpliwości z tym kiedy i jakich wartości używać w obliczeniach poziomu zaszumienia. Należy jednak pamiętać, że NEB to tylko poprawka, a nie samo zaszumienie:




8. Wykorzystanie wzmacniacza o najniższym poziomie szumów jest najlepszym wyborem

Wybierając wzmacniacz operacyjny, szum napięciowy jest często jedynym parametrem branym przez projektantów pod uwagę. Nie zawsze trzeba patrzeć na szum prądowy. Jednak są przypadki, gdzie jest to równie ważny parametr. Szum ten bowiem może zmieniać się w napięciowy, w przypadku napotkania elementów o dużej rezystancji. W niektórych przypadkach może się okazać, że ten rodzaj szumu powoduje powstaje szumu większego, niż ten napięciowy.

Przykładem takich układów może być zastosowanie niskoszumnego wzmacniacza w połączeniu szeregowym z dużym elementem rezystancyjnym. Rozpatrzmy przykład układu ADA4898, którego poziom szumu napięciowego wynosi 0.9 nV/√Hz, a połączony do niego rezystor 10 kΩ ma szum na poziomie 12.8 nV/√Hz . 2.4 pA/√Hz szumu prądowego może skutkować powstaniem szumu na poziomie 24 nV/√Hz, co stanowić będzie największe źródło zaszumienia w układzie.

W takich przypadkach, gdzie szum prądowy dominuje w układzie, warto skupić się na takim doborze elementów, by zredukować jego poziom. To szczególnie istotne w przypadku układów o dużej precyzji. Z pomocą mogą przyjść szybkie wzmacniacze z wejściami FET. W przytoczonym przykładzie, zamiast więc wybierać wzmacniacze o tak niskim poziomie szumów napięciowych, warto by zamiast tego wybrać wzmacniacze z wejściami JFET (np. ADA8033 lub ADA4817), co pozwoli na skuteczniejszą poprawę układu ze względu na poziom szumów.

9. Zaszumienie można poprawić zwiększając wzmocnienie w pierwszym stopniu

Często sugeruje się, że należy stosować wzmocnienie już na pierwszym stopniu, co pozwoli na poprawę zaszumienia. Jest to częściowo prawdziwe, gdyż sygnał stanie się większy niż poziom szumów w poszczególnych stopniach. Wadą tego rozwiązania jest to, że zmniejszamy maksymalną wartość sygnału, jaką system może pomieścić. Może to skutkować pogorszeniem się zakresu dynamicznego systemu. Lepszym rozwiązaniem może być zmniejszenie wzmocnienia, a następnie próbkowanie w większej rozdzielczości, co poprawi czułość, a także zakres dynamiczny.

10. Wszystkie rezystory generują takie same szumy, jeśli mają taką samą rezystancję

Szum Johnsona to ważny aspekt analizy szumów. Pozwala określić szum rezystorów, przy konkretnej rezystancji w ustalonej temperaturze. Jednakże szum ten jest najmniejszym, jaki możemy obserwować na rezystorze. Co więcej, nie każdy typ rezystora generuje taki sam poziom szumów. Jest też szum nadmiarowy (excess noise), będący źródłem szumów 1/f w rezystorze i jest silnie uzależniony od rodzaju rezystora.

Czasem jest mylony z szumem prądowym, gdyż wiąże się ze sposobem, w jaki prąd płynie przez rezystor. Określany jest jako współczynnik zaszumienia (NI - noise index) podawany w [dB] w odniesieniu do 1 uV(rms)/VDC w dekadzie. Jeśli więc na rezystorze pojawi się napięcie 1 VDC, a NI wynosić będzie 0 dB, szum nadmiarowy wyniesie 1 uV(rms).

Grubsze rezystory warstwowe i węglowe posiadają najwyższe wartości NI spośród rezystorów. Wartości te zaczynają się od 10 dB. Lepiej więc ich unikać w torach sygnałowych. Rezystory cienkowarstowe i foliowe (metal foil) są znacznie lepsze do takich zadań, gdyż ich NI wynosi -20 dB, a nawet -40 dB.

11. Ograniczenie akwizycji, uśrednianie.

Uśrednianie ma pomóc w zredukowaniu szumu o pierwiastek kwadratowy liczby tych uśrednień. To jest okazjonalnie prawdziwe, jeśli NSD będzie niewielka. Jednakże rzadko się to sprawdza, zwłaszcza jeśli weźmiemy pod uwagę 1/f z całego zakresu.

Przykładowo, jeśli przyjmiemy uśrednienie w systemie próbkującym z częstotliwością fS1, następnie uśredniając n próbek dziesiątkując ich liczbę, dostaniemy m próbek. Otrzymujemy więc efektywną częstotliwość próbkowania fS1/n, zmniejszając efektywną częstotliwość maksymalną widzianą przez system o n. Zredukujemy wtedy biały szum o √n. Jednakże w takim przypadku, zwiększamy czas o n, potrzebny na pobranie m próbek. A więc minimalna częstotliwość widziana przez system również zmniejsza się o n (pamiętając, że nie istnieje coś takiego jak częstotliwość 0 Hz). Im więcej takich uśrednień wykonamy, tym bardziej obniży się częstotliwość, co będzie skutkować inną wartością szumu 1/f. Dalsze zwiększanie uśrednień może więc nie przynieść korzyści z punktu widzenia redukcji szumów.

Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Analog Devices.

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
May 26 2017 09:38 V8.3.0-2