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LTspice: Rauschanalyse (2023 Update)

Hallo,

nun habe ich mich auch mal mit einer Rauschanalyse bei LTspice beschäftigt. Da würde ich gerne wissen, wie gut man dem vertrauen kann (z.B. den Modellen), oder wo evtl. Effekte reinspielen, die nicht mit simuliert werden.

Das Projekt, um das es geht, ist folgendes: Der Ausgang eines Reglers hat ein nominelles Rauschen von 20 µV_RMS (18 kHz Bandbreite, DAC mit 21 Bit, Amplitude +-6,5 V). Das Signal wird durch 20 geteilt und dazu ein Offset zwischen +-8 V addiert. Das finale Signal ist also im wesentlichen die Offsetspannung mit dem aufmodulierten Regelsignal mit einer Amplitude von ca. 3,25 V. Dieses geht zu einem HV-Verstärker mit Verstärkung 20. Auf der HV-Seite soll dann eine Spannung (an einem Piezo) anliegen, die dem verstärkten Offset entspricht und wieder um ca.

+-6,5 V moduliert werden kann. Am Eingang des HV-Verstärkers ist ein Widerstand von 1 kOhm gegen GND.

Der HV-Verstärker hat ein angegebenes Eigenrauschen von 50 µV_RMS. Vorgabe war, daß das Rauschen des Eingangssignals nach Verstärkung von

20 nicht höher ist als das Eigenrauschen. LTspice sagt mir, daß ich je nach Offset schlimmstenfalls bei 2,5 µV_RMS liege (0,1 Hz bis 50 kHz integriert). Nachdem effektiv sowieso nur 20 kHz benötigt werden, sollte das eigentlich passen.

Der Schaltplan von LTspice ist unten.

Der Offset wird mit einem 10-Gang-Poti eingestellt. Das habe ich durch zwei per Parameter veränderbare Widerstände simuliert. Oben und unten ist jeweils ein Vorwiderstand und dann eine driftarme Spannung von +10 V bzw. -10 V. Die ist mittels einer LT1021-10 Referenzspannungsquelle erzeugt.

Die Frage ist, was das Poti selbst für einen Einfluß auf das Rauschen hat. Damit kenne ich mich nicht aus.

Die Ausgangsstufe ist parallel ausgeführt, das reduziert das Rauschen etwas, und die Verstärker müssen jeder nicht so viel Strom liefern. Ich weiß, daß wegen der parallelen 100 Ohm der effektive Gain im HV-Verstärker dann nur noch 19 statt 20 ist, aber das ist ok.

Was habe ich evtl. sonst noch übersehen?

Wäre ein Testaufbau auf Lochraster überhaupt sinnvoll? Letztendlich soll eine geätzte Leiterplatte zum Einsatz kommen (2-lagig).

Sind bedrahtete Bauteile schädlich? Die LT1021 ist auf den ersten Blick nur im DIP-Gehäuse gut verfügbar, die OP27 habe ich als DIP schon hier.

Danke für euer Mitdenken, Holger

Version 4 SHEET 1 880 772 WIRE -544 -48 -656 -48 WIRE 80 0 16 0 WIRE 176 0 160 0 WIRE -608 48 -608 32 WIRE -1152 64 -1264 64 WIRE -656 64 -656 -48 WIRE -640 64 -656 64 WIRE -1392 80 -1392 64 WIRE -544 80 -544 -48 WIRE -544 80 -576 80 WIRE -496 80 -544 80 WIRE -832 96 -832 64 WIRE -640 96 -832 96 WIRE -240 96 -352 96 WIRE -496 112 -496 80 WIRE -2480 128 -2480 96 WIRE -2384 128 -2384 96 WIRE -880 128 -976 128 WIRE -608 128 -608 112 WIRE 16 128 16 0 WIRE 80 128 16 128 WIRE -976 144 -976 128 WIRE -832 144 -832 96 WIRE 176 144 176 0 WIRE 176 144 144 144 WIRE 208 144 176 144 WIRE 304 144 288 144 WIRE 384 144 304 144 WIRE 432 144 384 144 WIRE -1216 160 -1216 144 WIRE -880 160 -880 128 WIRE -304 160 -304 144 WIRE 80 160 -16 160 WIRE -1392 176 -1392 160 WIRE -1392 176 -1488 176 WIRE -1264 176 -1264 64 WIRE -1248 176 -1264 176 WIRE -352 176 -352 96 WIRE -336 176 -352 176 WIRE -1488 192 -1488 176 WIRE -1392 192 -1392 176 WIRE -1152 192 -1152 64 WIRE -1152 192 -1184 192 WIRE -1120 192 -1152 192 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Reply to
Holger Schieferdecker
Loading thread data ...

Holger Schieferdecker schrieb:

Das Poti ist relativ niederohmig. 10-Gang-Poti ist idR Draht-gewickelt, hat daher niederes Rauschen und auch niederes Spannungsrauschen. Die Rauschspannungen in/um das Poti liegen in den einstelligen nV (pro Wurzel aus Bandbreite jeweils, ich schreib es jetzt nicht mehr dazu); spielen also keine Rolle.

Die merkwürdige Abhängigkeit des berechneten Rauschens von der Potistellung kommt daher, dass das Rauschen (in der Simulation) von der Referenzspannung kommt (behauptete 600 nV).

In der Mittelstellung rechnet sich das dann raus.

Ungünstig sind die Siebwiderstände R6 und R9. Nicht wegen des Widerstandsrauschens an sich (40 nV, thereabouts), sondern wegen des Eingangsstroms von U7 (OP27). Faktor 10 kleiner und der Spuk ist vorbei. In der Simulation...

Hatten wir hier nicht neulich low-noise references diskutiert? Ich fürchte aber, dass da nicht viel Luft nach unten ist.

Bei den Frequenzen eher nein.

Reply to
Rolf Bombach

Am 27.10.22 um 17:27 schrieb Holger Schieferdecker:

Heute Nacht will ich mich da nicht mehr reinknien, aber:

Dickfilm-Widerstände mit Gleichspannung darüber rauschen teilweise schlimmer als carbon composition von vor 70 Jahren: also Dünnfilm-SMDs. (vor allem 1/f-Rauschen) Ich habe Dünnfilm von Susumu (Digikey), die tun's. Da gab es mal ein Sortiment in 0.5% DünnFilm in ganz vielen Glasfläschchen, richtig gut.

Der ADA4898-2 ist ganz gut, was Spannungs-Rauschen angeht. Auch beim Preis im Vergleich zu LT1028 oder AD797. Sein Spicemodell von vor 2 Jahren ist halbwegs OK. Wenn man mehrere in einer Schaltung hat, dann gibt es merkwürdige Probleme mit dem Konvergieren. Das ältere Modell ist eine Beleidigung der Benutzer. An dem stimmt überhaupt nix. Die TI-Modelle finde ich besser.

Drahtpoti ist OK, Dickfilm-SMD-Poti eher nicht. Mein 1. Entwicklungsleiter pflegte zu sagen: Jeder R-Trimmer ist ein Eingeständnis der Ignoranz. Das wird ausgerechnet und dann der richtige Fest-R hingelötet. OK, Optimierungen an wichtigen Werten sind möglich.

Ja, das geht. Eine Keksdose aus Stahlblech ist sehr hilfreich. Es gibt da App-Notes von LT. Im Frequenzteiler-thread haben wir gerade ausgezeichnete Lochraster-Platinen mit Massefläche diskutiert.

Bedrahtet ist OK. Mit SMD bekommt man aber räumlich engere Induktionsschleifen. Das hilft durchaus gegen Einstreuungen.

Gruß, Gerhard

Reply to
Gerhard Hoffmann

Hallo Holger,

HV-Verstärker mit

.. als das Eigenrauschen von was? Wenn zum Eigenrauschen des Verstärkers noch etwas Rauschen am Eingang dazu kommt, dann wird es sehr unwahrscheinlich weniger Gesamtrauschen geben können, als das Eigenrauschen des Verstärkers (gleiche Bandbreite vorausgesetzt).

Dann muss man sich schon vergewissern, dass die verwendeten Modelle der Bauteile auch das widerspiegeln, was die Bauteile in Sachen Rauschen auch tun. Blind vertrauen würde ich da nie, solange im Modell nicht explizit angegeben ist, dass es für Rauschbetrachtungen geeignet konstruiert ist. Das gleiche gilt für Offsetabweichungen und ähnliche Größen aus dem Bereich der Statistischen Abweichungen.

Hier springt mein Plausibilitätswarner an. Das kann doch eigentlich nur passieren, wenn die Zahlen oben und unten auf ziemlich unterschiedlichen Frequenzbreiten aufbauen.

Warum integrierst Du dann oben bis 50 kHz?

Ein 10-Gang-Poti ist nicht gleich einem 10-Gang-Poti anderer Bauart. Der These, dass diese gewöhnlich mit Draht als Widerstand gebaut seien, kann ich mich nicht erwärmen. Ich kenne monströse Mehr-Gang-Potis, die tatsächlich auf Drahtwickeln abgreifen. Die kenne ich von mehreren cm Länge bis zu mehreren Dutzenden an cm und zweistelligen cm an Durchmessern (waren in der Dimmung der Saalbeleuchtung eines Konzerthauses - motorgesteuert zum weichen Ein- und Ausschalten) Die 10-Gang-Trimmer, die ich aber viel häufiger sehe, also die, die wenige mm klein sind, dürften aber sehr wahrscheinlich nicht auf Metalldraht basieren. Die zwei Exemplare, die ich in meiner Jugend vor ca 40 Jahren im Zuge elementarer Materialerfahrung zerlegt hatte, hatten jedenfalls eine schwarze Fläche, die denen ganz normaler Potis entsprach.

Ist im Modell der Widerstände ebenfalls etwas zur Rauschcharakteristik hinterlegt? So lange da kein Material oder ein spezifisches Modell eines definierten Herstellers benannt ist, wäre ich da eher skeptisch. Allerdings rauschen Widerstände meist deutlich weniger als die beteiligten Halbleiter, solange das Ganze nicht allzu hochohmig ist.

Rauschen wird durch die Lochrasterplatine eher wenig dazu kommen. Einkopplung von Störsignalen möglicherweise schon. Wenn wir im Praktikum auf Steckbrettchen EKG-Verstärker bauen, gehe ich gelegentlich mit den Studis nach nebenan in die Röntgenkammer. Da sehen die Signale sehr schön aus, weil die Bleiabschirmung auch sehr viel an sonstigen Störungen abschirmt ;-) Das hat aber nichts mit Rauschen zu tun, auch wenn es auf dem Oszi oft sehr ähnlich aussieht ;-)

Die Rauschen nicht prinzipiell mehr.

OP27 und 20 kHz klingt eher nicht so gut, ganz ohne jetzt ein Datenblatt zu bemühen. Dass der OP27 sich in Sachen Rauchen wie ein LT1021 verhalten wird, würde ich jetzt aber niemals annehmen wollen. Ich kenne den aber nicht in der Praxis.

Ich habe prototypische Aufbauten mit der "dead bug" Technik zu lieben gelernt. Das Verhalten war einkopplungstechnisch größtenteils einer doppelseitigen überlegen. Die durchgängige Massefläche schirmt in der Tat sehr viel ab. Jede Bohrung und jede Leitung, die die Massefläche durchschneidet, schwächen diese Abschirmwirkung. Ich hatte schon "dead bug"-Aufbauten, die besser waren, als auf der vierlagige Platine, die durchaus nicht stümperhaft geroutet war.

Marte

Reply to
Marte Schwarz

Holger Schieferdecker schrieb:

Noch ein Kommentar zur Simulation: E1 scheint zur Simulation des Rauschens zu dienen. Da passiert was merkwürdiges. So wie gezeichnet scheint E1 einen Innenwiderstand zu entwickeln, etwas vom Sinus ist daran erkennbar. Das verschwindet, wenn E1 gegen Masse geht und V3 dann obendran angeordnet wird. Warum auch immer.

Reply to
Rolf Bombach

Hallo Marte,

Am 29.10.2022 um 07:55 schrieb Marte Schwarz:

Des HV-Verstärkers. Das was den Verstärker ansteuert, soll also nicht stärker rauschen als der Verstärker ohnehin.

Hm, da hast Du natürlich recht. Leider steht dazu bei den von mir verwendeten Teilen nichts.

Ich hatte zunächst nur bis 20 kHz integriert, dann wollte ich wissen, wie es sich verändert. Der HV-Verstärker hat laut Datenblatt eine Bandbreite von 100 kHz. Auch wenn diese hohen Frequenzen hier nicht interessant sind, da sie im Eingangssignal nicht vorkommen, würde doch Rauschen der Schaltung in dem Bereich sich auswirken. Eigentlich müßte ich daher doch sogar bis 100 kHz integrieren.

Ich werde da noch einen optionalen Tiefpasskondensator am Ausgang vorsehen.

Als Poti ist folgendes geplant, das hat innen einen Drahtwickel. Ein defektes hatte ich schon einmal offen.

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Da ist nichts hinterlegt.

Was irritiert Dich bei OP27 und 20 kHz? Der sollte für den Zweck mit 8 MHz und 1,7 V/µs eigentlich schnell genug sein.

Das Rauschen ist laut Datenblatt 3,x nV/sqrt(Hz).

Daß die ganze Schaltung letztlich schlechter ist, als die Simulation behauptet, glaube ich schon. Das wird sich dann zeigen, wie gut es funktioniert.

Danke jedenfalls für Deine Hinweise.

Holger

Reply to
Holger Schieferdecker

Am 29.10.2022 um 00:42 schrieb Rolf Bombach:

Entschuldige bitte, ich verstehe gerade nicht ganz, was Du meinst.

R6 und R9 zusammen mit C4 und C5, sowie danach U3 sind ein Tiefpassfilter für die Referenzspannung. Das habe ich so aus dem Datenblatt der LT1021 übernommen. Bei der von Dir angesprochenen Änderung der Widerstände sehe ich aber keine Auswirkungen auf den Eingangsstrom von U7, dem Puffer nach dem Poti (auch nicht von U3).

Holger

Reply to
Holger Schieferdecker

Am 29.10.2022 um 02:08 schrieb Gerhard Hoffmann:

Ok, danke für den Hinweis.

Tja, als ich vorhin geschaut habe, war es mit der Verfügbarkeit nicht so gut. RS hat den ADA4898-1. Und das Pad auf der Unterseite erschwert wieder das Löten mit dem Lötkolben.

Ist ein Drahtpoti, siehe auch Antwort an Marte. Festwiderstand geht leider nicht, ich brauche ja die Einstellmöglichkeit.

Danke, Holger

Reply to
Holger Schieferdecker

Am 31.10.2022 um 00:35 schrieb Rolf Bombach:

Stimmt. Den Faktor bei E1 habe ich variiert, bis ich das gewünschte Rauschen erreicht hatte.

Danke, ich habe es mal umgedreht.

Holger

Reply to
Holger Schieferdecker

Holger Schieferdecker schrieb:

Vielleicht hat es bei mir die ICs anders numeriert. U7 ist bei mir der erste Filter nach der Referenzquelle. Was für ein Rauschen siehst du an der Referenz und am Augang von U7?

Allerdings weiss ich nicht, welcher Frequenzbereich für dich wichtig ist. Falls es bei DC möglichst wenig wackeln soll, wird es kompliziert.

Reply to
Rolf Bombach

Rolf Bombach schrieb:

Ingrid meint: Zur Zeit können meine Postings noch konfuser sein als sonst schon. Und mit TTippfehelern behaffftett, wegen Schüttütellfrossstt.

Ganz herzlichen Dank an aller Corona-leugnenden Imfpgegener und Maskenverweigerer. Ihr habt es geschafft. Da hat auch meine

3X Impfung nichts mehr genutzt. Immerhin weiss ich jetzt, wie ein positiver Test aussieht und wie sich das so anfühlt.
Reply to
Rolf Bombach

Am 03.11.2022 um 21:46 schrieb Rolf Bombach:

Gute und vor allem schnelle Besserung wünsche ich Dir. Und daß nix (oder nur sehr wenig) davon nachbleibt. $EHEFRAU hatte es und hat mich irgendwie nicht infiziert. Isolationshaft haben wir nicht angewandt.

Bernd

Reply to
Bernd Laengerich

In meiner Lehre 1969 war ich auch 3 Monate in der Entwicklungsabteilung. Da stieß sich ein Ing. am Zeichenbrett den Kopf. Dieser sagte daraufhin: "Davon habe ich aber nichts zurückbehalten - zurückbehalten, zurückbehalten, zurückbehalten, zurückbehalten, ..."

Reply to
Helmut Schellong

Am 03.11.2022 um 21:39 schrieb Rolf Bombach:

Ah, danke, jetzt ist es klar.

Stimmt, das Rauschen direkt am Ausgang der Referenz steigt von 10 Hz nach 1 Hz ziemlich an und wird zu noch niedrigeren Freqenzen hin flach.

Am Eingang des nachfolgenden OPs und dann auch an seinem Ausgang steigt die Kurve jedoch bei Frequenzen unter 1 Hz an. Das gilt bei 36k für R6 und R9. Das schlägt sich dann auch auf die Ausgangssapnnung ganz am Ende durch.

Für kleinere Widerstände wird die Kurve unterhalb von 1 Hz flacher. Dafür steigt das Rauschniveau zwischen 1 Hz und 100 Hz an.

Das integrierte Rauschen über den gesamten Frequenzbereich wird aber größer für kleinere Widerstände. Der von Dir getestete Faktor 10 (also

3,6k) ist wohl zu extrem, aber 15k sind wohl ein ganz guter Kompromiß.

Eine langsame Drift wird es sowieso geben, das muß der Regler ohnehin über das Regelsignal ausgleichen. DC ist dann wohl nicht ganz so kritisch.

Ich wünsche Dir eine gute und schnelle Besserung!

Holger

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Holger Schieferdecker

Holger Schieferdecker schrieb:

Ja; die Grenzfrequenz des Filters verschiebt sich halt. Man müsste dann von 1u auf 10u erhöhen.

Schlimmstenfalls helfen zwei Schritte:

- Zwei oder mehr REFs parallel hängen (via 2 Widerstände a 30k usw.)

- Grenzfrequenz des Filters nochmals deutlich tiefer legen Die Beule in der Funktion zeigt ja, dass die Grenzfrequenz des Filters eigentlich zu hoch ist.

Da schwant mir aber übles: Was passiert eigentlich beim Abschalten des Geräts? Dann sind doch die 10 V in C4/C1 etc gespeichert. Hoffentlich passiert da nix. Vielleicht doch noch Dioden nach Vcc spendieren.

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Rolf Bombach

Am 04.11.2022 um 19:29 schrieb Rolf Bombach:

4.7u sind schon ganz gut, der Schritt auf 10u tut nicht mehr so viel. Und Folienkondensatoren sind dann schon relativ groß.

Das wäre natürlich möglich, aber bringt glaube ich nicht mehr viel.

Ich habe ganz am Ausgang noch einen Filterkondesator hinzugefügt, ebenso bei der Offsetaddition. Das wirkt sich spürbar aus (integriert über den ganzen Frequenzbereich).

Beim Abschalten dürfte die Versorgungsspannung der OpAmps deutlich schneller weg sein als die Spannung an deren Eingang (auch beim Pufferverstärker nach dem Poti). Laut Datenblatt ist die zulässige maximale Eingangsspannung gleich der Versorgungsspannung. Die Dioden sind dann eine gute Idee, danke für den Hinweis.

Holger

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Holger Schieferdecker

Ich will mal ein bißchen berichten.

Am 27.10.2022 um 17:27 schrieb Holger Schieferdecker:

Die ursprünglich gepostete Version der Schaltung habe ich mit Tiefpassfiltern noch etwas modifiziert und außerdem bei AD noch ein Modell des hier vorhandenen OP27G heruntergeladen und integriert. Damit wird das von LTspice berechnete Rauschen etwas schlechter als mit dem Modell des integrierten OP27. Außerdem mußte ich den Alternate Solver aktivieren, damit die Simulation durchläuft, sie benötigt dann auch deutlich mehr Zeit. Nichtsdestotrotz konnte ich das Rauschen unter die gewünschte Schwelle drücken. Das finale Simulationsergebnis war:

2,26 µVrms (Bandbreite 0,1 Hz bis 100 kHz)

Die fertige reale Schaltung habe ich dann folgendermaßen nachgemessen:

- Versorgung mit Tischnetzteil (Trafo + Linearregler)

- Eingangspin mit GND verbunden

- Ausgang auf einen kommerziellen Low-Noise Verstärker Stanford SR650 - Dessen Tiefpass auf 100 kHz mit 12 dB / oct gestellt - Gain 1000 - Ausgabe auf Ozsilloskop

- Daten auf USB gespeichert (100000 Punkte) und RMS-Wert berechnet

Der SR560 hat bei G=1000 ein gemessenes Eigenrauschen von 2 mVrms auf dem Oszibild.

Bei langsamer Abtastung ist noch eine leichte 50 Hz-Schwingung überlagert, das RMS-Rauschen beträgt (geteilt durch 1000) 2,9 µVrms.

Bei schneller Abtastung, also wenn man die 50 Hz-Schwingung unsichtbar macht und geeignet das Bild einfriert, messe ich ein RMS-Rauschen von

2,4 µVrms (wieder geteilt durch 1000). Simulation und Realität passen also für mich nicht so schlecht zusammen.

Dann habe ich die Platine wie geplant in ein 19" Rack von Toptica eingesetzt. Das war dann nicht mehr so schön, das Rauschen ist stärker, nämlich messe ich dann 4,2 µVrms. Wenn man ein bißchen reinzoomt, sind regelmäßige Peaks zu sehen, die einer Frequenz von etwa 54 kHz entsprechen. Immerhin sind die 50 Hz damit weg (oder überdeckt).

Ich werde jetzt mal versuchen, die +/- 15V-Versorgung zu filtern mit je einem LC-Pi-Filter. Leider ist hier der Vorrat an Induktivitäten überschaubar.

Wie die Versorgungsspannung direkt aussieht, habe ich mir noch nicht angeschaut. Aber sie spielt definitiv eine Rolle. Zuerst hatte ich ein anderes Labornetzteil verwendet, da zeigte sich noch eine stärkere 50 Hz-Schwingung.

Holger

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Holger Schieferdecker

Iirc muß die Störung 100 Hz sein oder sie stammt nicht aus der Versorgung.

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Axel Berger

Am 06.03.23 um 16:36 schrieb Holger Schieferdecker:

Warum läuft mir neuerdings alle paar Tage Toptica über den Weg und früher garniemals nie?

Das wird irgendein DC/DC-Converter sein. Wenn es hier wäre, dann würde ich auf das Ringlicht vom Mikroskop tippen.

Ich würde da lieber einen C-Multiplier nehmen statt der Induktivitäten, die können mit etwas Pech auch Störungen aufnehmen. Und sie sind riesig, wenn sie was bewirken sollen.

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Je einer für die + und die Minus-Seite. Der C-Multiplier ist im Prinzip ein kapazitiv belasteter Emitterfolger, der kann eine eigene Schwingneigung entwickeln. Ein Widerstand direkt an der Basis ist deshalb sehr zu empfehlen (base/Gatestopper) auch wenn sein thermisches Rauschen weh tun kann. Die 1pF an der Basis sind nur für was-wenn-Betrachtungen. Nicht zum Einlöten. Weil die abgeb. Schaltung aus Akkus laufen soll, habe ich noch

3 Zenerdioden vorgesehen, damit der Arbeitspunkt halbwegs stabil bleibt. 4V und kleiner rauscht sehr wenig und die DC addiert sich linear, das Rauschen der Dioden nur geometrisch.

Ganz oben links ist eine rauschende VCC-Quelle. Die 60 Ohm erzeugen eine Rauschdichte von 1 nV/root Hz. Eine voltage_controlled_voltage_source mit einstellbarer Verstärkung skaliert das dann auf die gewünschte Menge an Dreck. Der wird zur sauberen eigentlichen VCC addiert. Der kleine uV-Offset in serie zum 60R verhindert, dass LTspice irgendwo durch 0 dividiert.

Man kann damit ausloten, wieviel Dreck man sich auf VCC leisten kann, bevor es auf den Ausgang durchschlägt. Das CPH3910-Modell ist bezgl. des Rauschens leicht optimistisch. Für die 16 parallelen FETs kommen tatsächlich etwa 340 pV/rt Hz raus. L3, L19, L20 sind nur Parkplätze für Stabiltätsuntersuchungen.

Gerhard

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Gerhard Hoffmann

50Hz AC per kapazitiver Kopplung von der Primärseite?

Setzt voraus, daß das asymmetrisch auf VCC und GND koppelt.

cu Michael

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Michael Schwingen

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