PSpice - Rauschen simulieren

Hallo,

ich bin dabei, eine Verstärkerschaltung (eine kritische differentielle Stufe vor einem AD-Wandler) auf Rauschen zu untersuchen - mittels Simulation in PSpice / Orcad.

Dabei habe ich, wie hoffentlich richtig, als Ausgangsspannung einfach den Ausgangsknoten angegeben, die Eingangsspannungsquelle als Independent Source eingetragen und beim Intervall vorläufig nichts. Soweit so gut, es simuliert.

Nur kommt mir vor, daß das ganze irgendwie gar nicht soviel macht...mein Eindruck ist, daß der Einfluß der Widerstände nicht mitgerechnet wird (wenn man z.B. das thermische Rauschen plottet, ist das gleich 0). Wie kann ich denn das Widerstandsrauschen einbeziehen? Brauche ich dazu ein anderes Model für den Widerstand? Oder ist das irgendein Parameter, den man verändern muß?

Weiß jemand, was dann da überhaupt an Rauschen berechnet wird? Wahrscheinlich nur das, das aus den ICs kommt (bzw. aus deren Models) oder? In meiner Schematic befinden sich sozusagen nur OPVs, Widerstände, Spulen und Kondensatoren. Und die AC-Spannungsquelle vorne bzw. ideale Gleichspannungsquellen für die Versorgung der OPVs (+/- 5V). Man kann allerdings einen Effekt erkennen, wenn man die Amplitude der AC-Spannungsquelle am Eingang erhöht, also rechnen tut das schon was ;-).

Die entsprechende Rechgengenauigkeit ist übrigens richtig eingestellt.

Vielen Dank für Eure Antworten!

Simone

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Simone Winkler
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"Simone Winkler" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@news.liwest.at...

Stufe

Source

Hallo Simone, ich habe gerade mal das Ganze mit dem Differenzverstärker("example") der bei der Demoversion V9.x(auch 10.0 und 8.x) dabei ist ausprobiert. Das Feld "Interval" habe ich auch freigelassen im Setup.

(wenn

ein

man

Keine Sorge, die Widerstände sind immer dabei. Ein 6KOhm Widerstand rauscht ungefähr mit 10nV/Wurzel(Hz). Das ergibt bei 1MHz Bandbreite: Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 1e-9*1e3 = 1uV Rauschen. Das wird natürlich dann von dem eventuell nachfolgenden Verstärker noch verstärkt.

Du solltest dir allerdings Sorgen darüber machen, ob denn die Opamps überhaupt ihr eigenes Rauschen enthalten. Und falls ja, wieviel Rauschen wird denn im Modell erzeugt. Ist das 1/f Rauschen überhaupt dabei? Dieses ist allerdings eher dann von Interesse wenn man nur von 0 bis z.B. 10KHz arbeitet. Bei 1MHz Bandbreite kann man den Einfluß vernachlässigen.

Die einzige Chance hier Klarheit zu bekommen, ist eine Testschaltung für jeden Opamp-Typ den man einsetzt um dessen Rauschmodell zu untersuchen. AC-Quelle->OPamp(V=+1) und dann V(onoise) anschauen.

V(onoise) ist die Rauschleistungsdichte in nV/Wurzel(Hz).

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2)) Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers. Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.

Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(netzname). Wenn ich mir die Werte von NTOT so anschaue, dann behaupte ich jetzt einfach mal das ist der Anteil der Rauschspannungsdichte in V^2/Hz bezogen auf die Gesamtrauschleistungsdichte(V(onoise)^2) am Ausgang. Mach halt mal ein Beispiel (nur Spannungsteiler) wo du weißt was herauskommen muß und vergleiche. Ein Blick ins Manual PSPCREF.PDF dürfte auch nicht schaden.

oder?

Ob AC 1V oder 0.1V ist macht keinen Unterschied für V(onoise).

Gruß Helmut

Du kennst LTSPICE?

LTSPICE ist freies SPICE ohne Begrenzung in der Schaltungsgröße und natürlich im Stil der Zeit mit graphischem User Interface.

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Eine unabhängige Newsgroup dazu gibt es auch.

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Helmut Sennewald

"Helmut Sennewald" schrieb im Newsbeitrag news:cansdm$mmr$00$ snipped-for-privacy@news.t-online.com...

in

den

Korrektur: Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 10e-9*1e3 = 10uV Rauschen.

untersuchen.

Spulen

;-).

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Helmut Sennewald

"Helmut Sennewald" schrieb

Dann sind meine Werte relativ sinnvoll - ich muß sie ja noch über die Bandbreite integrieren. Ich liege so bei -124dB bzw. rund 400nV/Sqrt(Hz) am Ausgang.

Habe festgestellt, daß es in den hinteren Stufen dabei ist, nur in der ersten Stufe nicht...(schlecht, die beeinflußt am stärksten...)

1/f-Rauschen ist laut einfacher Simulation dabei. :))

Kann man in Orcad irgendwie den über die gesamte (simulierte) Bandbreite integrierten Wert darstellen?

so sehe ich das auch. :)

Entschuldigung, da hab ich mich natürlich vertan...

Danke für den Newsgroup-Tip! LTSpice benutze ich zwar nicht (sondern Orcad), aber Spice bleibt doch immer wieder Spice. :-)

Vielen Dank für die freundliche und ausführliche Hilfe!

Simone

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Simone Winkler

"Simone Winkler" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@news.liwest.at...

Korrektur: Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 10e-9*1e3 = 10uV Rauschen.

am

Hallo Simone, vielleicht kannst du ja einen ähnlichen OP mit simuliertem Rauschen da einsetzen um das Rauschen mitzusimulieren.

Im Prinzip ja. Ich habe das immer so gemacht, daß ich im Plot-Fenster den Trace sqrt(s(v(onoise)*v(onoise))) dargestellt habe. Da sieht man dann wie die Rauschspannung mit der Bandbreite ansteigt.

Das kann man auch als Makro definieren. Trace->Macros totnoise=sqrt(s(v(onoise)*v(onoise)))

Dann kann man es im Trace->Add Trace "Function or Macros" Menue auswählen.

Korrektur: Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(Bauteil), z.B. NTOT(R1).

Die Spitzenwerte der Rauschspannung sind übrigens das +/-3 bis +/-5 fache des Wertes von Urms.

Gruß Helmut

Orcad),

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Helmut Sennewald

"Helmut Sennewald" schrieb

Danke, das alles hat mir SEHR geholfen! *freu*

Eine kurze Frage noch:

Meinst Du mit "auf 1/10 abgefallen" die Verstärkung des OPVs, also quasi die Kurve mit dem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt oder meine eigene? Ich habe ja zwecks Rauschunterdrückung Filter eingebaut, d.h. meine Simulation ergibt praktisch eine Verstärkung nur im Bereich von z.b. 100kHz bis 1MHz (bzw. für den zweiten Verstärker von 100Hz bis 10kHz). Muß ich dann soweit integrieren, bis die Simulationskurve auf 1/10 abgefallen ist? (was mir logischer wäre...)

Das ist alles recht wichtig für mich, weil ich mit einem 18-bit-Wandler und

5V unter -94dB Rauschen kommen muß (*uff*). Ist das überhaupt irgendwie möglich? (in der Praxis) Ich verwende schon rauscharme Verstärker, eine differentielle Stufe, usw.

Und in wie weit kann man dem PSpice dann glauben? Wieviel wird praktisch noch dazukommen?

Vielen Dank, Simone

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Simone Winkler

"Simone Winkler" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@news.liwest.at...

die

Hallo Simone, ich meine das Gesamtsystem. Es interessiert nur das, was am A/D-Wandler ankommt. Theoretisch muß man ja bis zur Frequenz f=unendlich integrieren. Ich habe da jetzt einfach mal angenommen, daß das Integral nicht mehr wesentlich ansteigt selbst wenn man bis unendlich integriert. Das setzt natürlich voraus, daß dein Filter wirklich null Übertragung hat bei unendlicher Frequenz. Nimm den Wert 1/10 nicht so genau. Das habe ich einfach mal so geschätzt. Integriere halt einfach mal ein paar Dekaden weiter und vergleiche.

100kHz

dann

Integriere mal bis 1MHz, 10MHz und bis 100MHz und vergleiche wieviel der Unterschied noch ausmacht. Die Rechenzeit stellt ja kein Problem dar.

Beispiel: RC-Tiefpass fg=10kHz, R=10kOhm, C=1.5nF

Integrationsgrenze Gerechnete Rauschspannung

----------------------------------------------

10kHz (=fg) 1.15uVrms 100kHz (=10fg) 1.6uVrms 1MHz (=100fg) 1.66uVrms

und

Das Ergebnis hängt sehr stark von der Höhe des Eingangssignals und dem Wert des Quellen-Widerstands ab. Man sollte zumindest in der Simulation den Zielwert erreichen, sonst braucht man schon gar nicht mit dem Aufbau anfangen. Ob man das Gewünschte in der Praxis ereicht hängt sicher von vielen Faktoren ab wie Signalstärke, saubere Stromversorgung, PCB-Layout, Störquellen (Schaltnetzteile in der Nähe) und Störungen von den Digitalbausteinen. Natürlich muß die Spec des A/D-Wandlers auch entsprechend gut sein. Da es zumindest Audio ADCs mit solchen Specs gibt, sollte der A/D-Wandler nicht das Problem sein.

Da setzt natürlich voraus, daß die Spice-Modelle auch das Rauschen simulieren wie im Datenblatt angegeben. Das muß man für jedes OP-Modell nachprüfen. Die Spice-Modelle simulieren aber z.B. nicht die Power Supply Störunterdrückung. Folglich kann die Simulation "nur" die Aussage bringen, daß es machbar wäre, wenn man sonst keine Störungen in das Signal bekommt.

Gruß Helmut

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Helmut Sennewald

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