8.9 TI 高精度实验室 - 噪声 实验

您好

欢迎您学习 TI 的精密实验室

对内在运算放大器的噪声的补充实验部分

该实验部分将通过详细的计算

SPICE 仿真和真实信号的测量

大大有助于加强理解

建立在噪声系统上的概念

本次实验部分的具体计算

可以通过手动完成

但是一些计算工具

比如 MathCAD 或 Excel 可以帮助极大

因为噪声计算可能涉及到很多的步骤

仿真实验

仿真实验

可以在任何 SPICE 仿真工具上进行

而德州仪器提供了本实验所用的

运算放大器通用 SPICE 模型

所以最方便的仿真是使用 TINA-TI

这是一个免费的 SPICE 仿真器

可从德州仪器网站下载安装

TINA 仿真原理图嵌入在本次实验中

最后实际的噪声测量使用的印刷电路板

由德州仪器提供

如果你有标准的实验室设备

你可以用任何 ±12V 电源

和示波器进行测量

但是强烈建议使用美国国家仪器的 VirtualBench

它是一个全功能的测试设备解决方案

它通过 USB 或 Wi-Fi 连接到电脑

并提供电源模拟信号发生器和示波器通道

以及一个五位半的数字万用表

可以进行方便和精确的测量

本次实验部分优化了与 VirtualBench 搭配使用

在实验 1 中

我们将得到没有滤波电路的总输出电压噪声

首先 计算所示电路预期的

总 RMS 和峰峰输出噪声电压

使用在噪声课程部分中给出的技术和公式

需要注意的是开关 JMP9 是断开的

所以滤波电容器 C5 是断开的

我们计算两次

先选择 U3 和 U4 为 OPA188

再选择 OPA211

不同运放的不同性能参数

会给您不同的噪声结果

为了进行噪声计算

您需要知道每个运算放大器的部分参数

关键的参数是

运算放大器的增益带宽积或 GBW

输入电压噪声密度或 e_n

和输入电流噪声密度或 i_n

这张图片给出 OPA188

和 OPA211 的这些关键指标

在表的底部输入您的答案

可以对比正确答案

以检查你的结果是否正确

我在这里不会去讲解整个计算过程

但会描述一下一些关键步骤

首先电阻的热噪声谱密度

是使用电路的电阻值计算的

接下来

总输入噪声谱密度

是基于电阻的热噪声计算

运算放大器的输入电压噪声

和运算放大器输入电流噪声

它也会被转换为电压单位

运算放大器的 GBW

和电路的闭环带宽可用于计算噪声的带宽

从而确定总输入 RMS 噪声

最后 将输入参考噪声乘以闭环增益

以便计算总 RMS 和峰峰输出噪声

本图片显示了选择 OPA188 的完整计算过程

这张图片展示了 OPA211 的计算过程

与 OPA188 相比

运算放大器输入电压

和电流的噪声频谱密度

以及运放增益带宽积是不同的

但计算的步骤是完全一样的

在用新的数值简单地替换 计算最终结果

下一步是运行 SPICE 仿真

分析总输出噪声

我们可以打开嵌入在实验中的

TINA-TI 仿真原理图

确保滤波电容的跳线是断开的

然后选择分析-噪声分析

确保总噪声被选中

然后运行分析 1Hz 至 100MHz

对 OPA188 和 OPA211

两个放大器都进行仿真

在 100MHz 的频率范围内

OPA188 的结果是 3.59mVrms

或 21.5mVpp 的总噪声

OPA211 电路是 10.75mVrms

或 64.5mVpp 的总噪声

确保开始搭建测试 PCB 之前

关掉直流电源

在 VirtualBench 软件中

单击直流电源部分的电源按钮关闭电源

检查 VirtualBench 的前面板

以确保 LED 是关闭的

还要确保信号发生器是关闭的

按照图示设置跳线和器件

对电路 3 和电路 4 进行测量

在电路 3 上

放置 JMP11 和 JMP12

以及在插座 U3 和 U4 上放置 OPA188

在电路 4 上

放置 JMP15 和 JMP16

以及在插座 U5 和 U6 上放置 OPA211

这张图片给出了

TI 精密实验室测试板电路 3 的原理图

你将使用这个电路

来测量 OPA188 的总输出噪声

这张图片是

TI 精密实验室测试板电路 4 的原理图

你将使用这个电路

来测量 OPA211 的总输出噪声

为了使测试板能够正常工作

你只能放置跳线和芯片在电路 3 和 4 上

不要在PCB 上放置任何其他跳线或芯片

在未使用的电路中拿掉任何跳线和芯片

并将它们放在试板的底部的备用区域中

这张图片给出了

TI 精密实验室测试板

和美国国家仪器之间的连接图

用提供的电源线

连接 VirtualBench 的直流电压输出

到测试板上的 J4 上

测试板的 VOUT1

连接到 VirtulBench 的示波器通道 1

VOUT2 连接到示波器通道 2

均使用 BNC 电缆连接

接下来开启 VirtualBench 的电源

并用 USB 线连接到您的计算机

电脑会检测到一个虚拟光驱

你可以直接从光驱运行 VirtualBench 软件

软件打开后配置软件如下

设置时间比为每 100ms/div

采集模式设置为Auto

在示波器上启用通道 1 和 2

并将它们设置为 1x AC 耦合模式

设置通道 1 为 10mV/div 的垂直刻度

并设置通道 2 为 20mV/div

设置 +25V 电源为 +15V 0.5A

-25V 电源为 -15V 0.5A

按下电源按钮开启电源输出

使能峰峰和两个通道上的 RMS 测量

就可以读取每个电路的输出电压了

您还必须设置虚拟示波器的模式

点击面板上显示的按钮

然后将采集设置为 Sample

持续性设置为 Disable

屏幕截图的左上角

是测量的输出电压噪声结果

测得 OPA188 具有 19.8mVpp

或 3.3mVrms 的噪声

OPA211 为 77.4mVpp

或 12.9mVrms 的噪声

OPA211 为 77.4mVpp

正如你可以从表中看到的

这个测试结果和计算

以及模拟的值非常的吻合

在实验2中

我们将计算带有滤波电容的

反馈网络的电路的总输出电压噪声

按照图示电路

再次计算总噪声

但是 此时的滤波电容

被加到第一级放大电路的反馈网络中

该电容可降低电路的噪声带宽

因此整体噪声性能将会显著提高

和之前的实验一样

同时计算 OPA188 和 OPA211

运算放大器的增益带宽积或 GBW

输入电压噪声密度或 e_n

和输入电流噪声密度或 i_n

仍然是供您参考的关键参数

在表中输入您的计算结果

我们也已经提供正确的答案

让您可以对比结果

计算步骤是与以前的几乎相同

但是计算电路的闭环带宽时

滤波电容必须加以考虑

加上滤波电容的时候

闭环带宽计算为 1.59kHz

而无电容时 带宽为 19.8kHz

正如设想的 这有助于减少总噪声

按照前面的步骤

计算 OPA211

我们代入器件的噪声和带宽的参数

再次运行 SPICE 仿真

分析总输出噪声

此时 确保滤波电容跳线被连上

以使电容连接上

和以前一样

选择分析 噪声分析

确保总噪声已勾选

然后运行分析范围为 1Hz 至 100MHz

请记住

我们对 OPA188 和 OPA211 都进行仿真

滤波电容接入后

OPA188 电路具有 1.09mVrms

或 6.54mVpp 的总噪声

OPA211 电路具有 0.585mVrms

或 3.51mVpp 的总噪声

重新测量之前

测试板上的跳线设置必须进行修改

只需安装跳线 JMP9 和 JMP13

所有其他跳线和器件

仍然按照之前的实验设置

这张图片显示了

TI 精密实验室测试板的

电路 3 的完整原理图

我们将使用该电路

来测量 OPA188 的总输出噪声

在这次滤波电容会被使用

这张图片显示了

TI 精密实验室测试板的

电路 4 的完整原理图

我们将使用该电路

来测量 OPA211 的总输出噪声

在本次中滤波电容会被使用

测试板的一般设置

与之前的实验保持不变

不要在未使用的电路中

安装任何芯片或跳线

测试板和 VirtualBench 之间的

电缆连接也与之前的实验保持相同

在 VirtualBench 的前面板上

把 CH2 的垂直刻度的改为 10mV/div

其它保持不变

带滤波电容的噪声测量结果如下

OPA188 具有 6.58mVpp

或 1.09mVrms 的噪声

OPA211 具有 4.12mVpp

或 0.69mVrms 的噪声

像之前的实验一样我们计算

仿真和测试结果全部匹配得相当好

真正的问题是我们通过增加滤波电容

提升了多少噪声性能

本页比较了 OPA188 和 OPA211

在带和不带滤波器条件下的

噪声性能的不同

从示波器结果看

滤波器给了我们极佳的噪声改善

如果您在表中比较峰峰值噪声值

你可以看到

在带滤波器条件下

OPA188 实现了 3 倍的改进

而 OPA211 实现了 19 倍的改进

你可能想知道为什么我们

没有看到 OPA188 的噪声降低得更多

一个关键原因

OPA188 为 2MHz 的增益带宽积

比上述 OPA211 的 80MHz 低很多

因此当我们增加了滤波器

并把两个电路的闭环带宽

减小到 1.6kHz

OPA188电路的闭环带宽本来就低

提升也就没有 OPA211 明显

因此限制带宽对 OPA211 有更大的效果

同时 OPA188 还比 OPA211

具有更高的输入电压噪声谱密度

本次的实验就介绍到这里

谢谢大家的观看

您好

欢迎您学习 TI 的精密实验室

对内在运算放大器的噪声的补充实验部分

该实验部分将通过详细的计算

SPICE 仿真和真实信号的测量

大大有助于加强理解

建立在噪声系统上的概念

本次实验部分的具体计算

可以通过手动完成

但是一些计算工具

比如 MathCAD 或 Excel 可以帮助极大

因为噪声计算可能涉及到很多的步骤

仿真实验

仿真实验

可以在任何 SPICE 仿真工具上进行

而德州仪器提供了本实验所用的

运算放大器通用 SPICE 模型

所以最方便的仿真是使用 TINA-TI

这是一个免费的 SPICE 仿真器

可从德州仪器网站下载安装

TINA 仿真原理图嵌入在本次实验中

最后实际的噪声测量使用的印刷电路板

由德州仪器提供

如果你有标准的实验室设备

你可以用任何 ±12V 电源

和示波器进行测量

但是强烈建议使用美国国家仪器的 VirtualBench

它是一个全功能的测试设备解决方案

它通过 USB 或 Wi-Fi 连接到电脑

并提供电源模拟信号发生器和示波器通道

以及一个五位半的数字万用表

可以进行方便和精确的测量

本次实验部分优化了与 VirtualBench 搭配使用

在实验 1 中

我们将得到没有滤波电路的总输出电压噪声

首先 计算所示电路预期的

总 RMS 和峰峰输出噪声电压

使用在噪声课程部分中给出的技术和公式

需要注意的是开关 JMP9 是断开的

所以滤波电容器 C5 是断开的

我们计算两次

先选择 U3 和 U4 为 OPA188

再选择 OPA211

不同运放的不同性能参数

会给您不同的噪声结果

为了进行噪声计算

您需要知道每个运算放大器的部分参数

关键的参数是

运算放大器的增益带宽积或 GBW

输入电压噪声密度或 e_n

和输入电流噪声密度或 i_n

这张图片给出 OPA188

和 OPA211 的这些关键指标

在表的底部输入您的答案

可以对比正确答案

以检查你的结果是否正确

我在这里不会去讲解整个计算过程

但会描述一下一些关键步骤

首先电阻的热噪声谱密度

是使用电路的电阻值计算的

接下来

总输入噪声谱密度

是基于电阻的热噪声计算

运算放大器的输入电压噪声

和运算放大器输入电流噪声

它也会被转换为电压单位

运算放大器的 GBW

和电路的闭环带宽可用于计算噪声的带宽

从而确定总输入 RMS 噪声

最后 将输入参考噪声乘以闭环增益

以便计算总 RMS 和峰峰输出噪声

本图片显示了选择 OPA188 的完整计算过程

这张图片展示了 OPA211 的计算过程

与 OPA188 相比

运算放大器输入电压

和电流的噪声频谱密度

以及运放增益带宽积是不同的

但计算的步骤是完全一样的

在用新的数值简单地替换 计算最终结果

下一步是运行 SPICE 仿真

分析总输出噪声

我们可以打开嵌入在实验中的

TINA-TI 仿真原理图

确保滤波电容的跳线是断开的

然后选择分析-噪声分析

确保总噪声被选中

然后运行分析 1Hz 至 100MHz

对 OPA188 和 OPA211

两个放大器都进行仿真

在 100MHz 的频率范围内

OPA188 的结果是 3.59mVrms

或 21.5mVpp 的总噪声

OPA211 电路是 10.75mVrms

或 64.5mVpp 的总噪声

确保开始搭建测试 PCB 之前

关掉直流电源

在 VirtualBench 软件中

单击直流电源部分的电源按钮关闭电源

检查 VirtualBench 的前面板

以确保 LED 是关闭的

还要确保信号发生器是关闭的

按照图示设置跳线和器件

对电路 3 和电路 4 进行测量

在电路 3 上

放置 JMP11 和 JMP12

以及在插座 U3 和 U4 上放置 OPA188

在电路 4 上

放置 JMP15 和 JMP16

以及在插座 U5 和 U6 上放置 OPA211

这张图片给出了

TI 精密实验室测试板电路 3 的原理图

你将使用这个电路

来测量 OPA188 的总输出噪声

这张图片是

TI 精密实验室测试板电路 4 的原理图

你将使用这个电路

来测量 OPA211 的总输出噪声

为了使测试板能够正常工作

你只能放置跳线和芯片在电路 3 和 4 上

不要在PCB 上放置任何其他跳线或芯片

在未使用的电路中拿掉任何跳线和芯片

并将它们放在试板的底部的备用区域中

这张图片给出了

TI 精密实验室测试板

和美国国家仪器之间的连接图

用提供的电源线

连接 VirtualBench 的直流电压输出

到测试板上的 J4 上

测试板的 VOUT1

连接到 VirtulBench 的示波器通道 1

VOUT2 连接到示波器通道 2

均使用 BNC 电缆连接

接下来开启 VirtualBench 的电源

并用 USB 线连接到您的计算机

电脑会检测到一个虚拟光驱

你可以直接从光驱运行 VirtualBench 软件

软件打开后配置软件如下

设置时间比为每 100ms/div

采集模式设置为Auto

在示波器上启用通道 1 和 2

并将它们设置为 1x AC 耦合模式

设置通道 1 为 10mV/div 的垂直刻度

并设置通道 2 为 20mV/div

设置 +25V 电源为 +15V 0.5A

-25V 电源为 -15V 0.5A

按下电源按钮开启电源输出

使能峰峰和两个通道上的 RMS 测量

就可以读取每个电路的输出电压了

您还必须设置虚拟示波器的模式

点击面板上显示的按钮

然后将采集设置为 Sample

持续性设置为 Disable

屏幕截图的左上角

是测量的输出电压噪声结果

测得 OPA188 具有 19.8mVpp

或 3.3mVrms 的噪声

OPA211 为 77.4mVpp

或 12.9mVrms 的噪声

OPA211 为 77.4mVpp

正如你可以从表中看到的

这个测试结果和计算

以及模拟的值非常的吻合

在实验2中

我们将计算带有滤波电容的

反馈网络的电路的总输出电压噪声

按照图示电路

再次计算总噪声

但是 此时的滤波电容

被加到第一级放大电路的反馈网络中

该电容可降低电路的噪声带宽

因此整体噪声性能将会显著提高

和之前的实验一样

同时计算 OPA188 和 OPA211

运算放大器的增益带宽积或 GBW

输入电压噪声密度或 e_n

和输入电流噪声密度或 i_n

仍然是供您参考的关键参数

在表中输入您的计算结果

我们也已经提供正确的答案

让您可以对比结果

计算步骤是与以前的几乎相同

但是计算电路的闭环带宽时

滤波电容必须加以考虑

加上滤波电容的时候

闭环带宽计算为 1.59kHz

而无电容时 带宽为 19.8kHz

正如设想的 这有助于减少总噪声

按照前面的步骤

计算 OPA211

我们代入器件的噪声和带宽的参数

再次运行 SPICE 仿真

分析总输出噪声

此时 确保滤波电容跳线被连上

以使电容连接上

和以前一样

选择分析 噪声分析

确保总噪声已勾选

然后运行分析范围为 1Hz 至 100MHz

请记住

我们对 OPA188 和 OPA211 都进行仿真

滤波电容接入后

OPA188 电路具有 1.09mVrms

或 6.54mVpp 的总噪声

OPA211 电路具有 0.585mVrms

或 3.51mVpp 的总噪声

重新测量之前

测试板上的跳线设置必须进行修改

只需安装跳线 JMP9 和 JMP13

所有其他跳线和器件

仍然按照之前的实验设置

这张图片显示了

TI 精密实验室测试板的

电路 3 的完整原理图

我们将使用该电路

来测量 OPA188 的总输出噪声

在这次滤波电容会被使用

这张图片显示了

TI 精密实验室测试板的

电路 4 的完整原理图

我们将使用该电路

来测量 OPA211 的总输出噪声

在本次中滤波电容会被使用

测试板的一般设置

与之前的实验保持不变

不要在未使用的电路中

安装任何芯片或跳线

测试板和 VirtualBench 之间的

电缆连接也与之前的实验保持相同

在 VirtualBench 的前面板上

把 CH2 的垂直刻度的改为 10mV/div

其它保持不变

带滤波电容的噪声测量结果如下

OPA188 具有 6.58mVpp

或 1.09mVrms 的噪声

OPA211 具有 4.12mVpp

或 0.69mVrms 的噪声

像之前的实验一样我们计算

仿真和测试结果全部匹配得相当好

真正的问题是我们通过增加滤波电容

提升了多少噪声性能

本页比较了 OPA188 和 OPA211

在带和不带滤波器条件下的

噪声性能的不同

从示波器结果看

滤波器给了我们极佳的噪声改善

如果您在表中比较峰峰值噪声值

你可以看到

在带滤波器条件下

OPA188 实现了 3 倍的改进

而 OPA211 实现了 19 倍的改进

你可能想知道为什么我们

没有看到 OPA188 的噪声降低得更多

一个关键原因

OPA188 为 2MHz 的增益带宽积

比上述 OPA211 的 80MHz 低很多

因此当我们增加了滤波器

并把两个电路的闭环带宽

减小到 1.6kHz

OPA188电路的闭环带宽本来就低

提升也就没有 OPA211 明显

因此限制带宽对 OPA211 有更大的效果

同时 OPA188 还比 OPA211

具有更高的输入电压噪声谱密度

本次的实验就介绍到这里

谢谢大家的观看