Методичні вказівки щодо проведення лабораторної роботи «Вимір електричного шуму в операційному підсилювачі»

Новокаховський приладобудівний фаховий коледж

  Лабораторія № 607 

Дисципліна: "Навчальна практика з вимірювань в телекомунікації та радіотехніці"

МЕТОДИЧНІ   ВКАЗІВКИ  ЩОДО  ПРОВЕДЕННЯ  ЛАБОРАТОРНОЇ  РОБОТИ

«Вимір електричного шуму в операційному підсилювачі»

Ціль роботи: дослідна перевірка розрахунку електричних шумів в операційному підсилювачі, вимір співвідношення «сигнал/шум».

Короткі теоретичні відомості

Реальний процес вимірювання завжди піддається впливу електричного шуму (англ. – electronic noise) - випадковим флуктуаціям напруги (e_ш) чи струму (і_ш). Власні шуми елементів електричних кіл у залежності від спектральних характеристик та флуктуаційних процесів розділяють на тепловий, дробовий та 1/f-шум. Така класифікація сприяє досягненню єдності в оцінці шумових властивостей елементів та спрощує процедуру визначення їх впливу на відношення «сигнал-шум».

Шуми - це електрична або магнітоелектрична енергія, що зменшує якість сигналу. Програма Multіsіm створює шумову модель схеми, використовуючи шумові моделі кожного резистора й напівпровідникового пристрою, і потім проводить AC-подібний аналіз. Програма розраховує шумовий внесок кожного компонента й поширює його до виходу схеми у всім частотному діапазоні, заданому в діалоговому вікні аналізу.

Аналіз шумів програми Multіsіm розраховує шумовий внесок від кожного резистора й напівпровідникового пристрою для заданого вихідного вузла. Кожний резистор і напівпровідниковий пристрій розглядаються, як генератор шуму. "Загальний вихідний шум" на вихідному вузлі - це RMS (Root Mean Square, середньоквадратичне) сума індивідуальних шумових внесків. Результат потім ділиться на посилення від вхідного джерела до виходу, щоб одержати "еквівалентний вхідний шум".

Програма Multisim може моделювати три різних типи шуму.

Тепловий шум (шум Джонсона або білий шум) - це температурно-залежний шум, що з'являється через  температурну взаємодію між вільними електронами й вібруючими іонами в провіднику. Його частотний зміст простирається по всьому спектру. Вперше тепловий шум спостерігав Д.Джонсон в 1928 р., пізніше він був проаналізований і кількісно описаний Г.Найквістом.

Потужність теплового генеруємого шуму визначається  формулою Джонсона:

P_ш = kTΔf ,                                                     (1)

де       k =1,380649·10^-23 Дж/К  – стала Больцмана;

T – абсолютна температура елемента, К;

Δf = f_в – f_н – частотний діапазон системи, Гц.

Дисперсія (середній квадрат) напруги теплового шуму на опорі R у смузі частот  Δf  визначається  формулою:

е²_ш = 4kTRΔf    [В²].                                            (2)

Величина ефективної  чи середньоквадратичної (англ. – root mean square, RMS) напруги теплового шуму визначається  формулою:

е_ш =       [В].                                         (3)

Дробовий шум або шум Шотткі (Shot noіse) обумовлений дискретно-корпускулярною природою струму  у напівпровідниках. Це основна причина шумів транзисторів. Дробовий шум – це випадкові флуктуації напруги і струму, які обумовлені дискретною структурою зарядів, що утворюють струм в вакуумних і напівпровідникових пристроях.

Дисперсія (середній квадрат) шумового струму дробового шуму у смузі частот   Δf  визначається  формулою:

і²_ш = 2qI₀Δf    [A²],                                       (4)

де      q – заряд електрона (1,6·10^-19 Кулон);

І₀ – постійний струм, А;

Δf = f_в – f_н – частотний діапазон системи, Гц.

Величина ефективний дробового струму визначається  формулою:

і_ш =     [A].                                              (5)

Фліккерний шум (англ. – flicker noise) виявлений Джонсоном в 1925 р. при дослідженні дробового шуму електровакуумних ламп. Він встановив, що на частотах менше 10 кГц спектр шуму починає практично необмежено наростати. Було помічено, що причиною цього шуму є «мерехтливе» змінювання емісійної здатності окремих ділянок катоду. Звідси і виникла назва «фліккерний шум» (flicker – мерехтіння, англ.).

Мерехтливий шум – це електронний шум, що спостерігається практично в будь-яких аналогових електронних пристроях. Його джерелами можуть бути неоднорідності в провідному середовищі, генерація і рекомбінація носіїв заряду в транзисторах. Фліккерний шум  проявляється на частотах нижче 1 кГц. Цей тип шуму також відомий, як надлишковий шум або рожевий шум. Він обернено пропорційний частоті (1/ f-шум) і прямо пропорційний температурі й рівню постійного струму.

Порядок виконання роботи

Виконайте  розрахунок  шумової напруги (дисперсії напруги теплового шуму)  на  резисторах R₁=1 кОм та R₂=5 кОм при температурі середовища t=22С  у смузі частот  Δf = 10 ГГц по формулі (2).

Результат розрахунків занесіть у таблицю 1.

Таблиця 1- Результати розрахунків і вимірів шумової напруги

Зберіть у програмі Multisim схему операційного підсилювача з коефіцієнтом підсилення K_u = 5 згідно рисунка 1. 

Рисунок 1 – Схема виміру шумів в операційному підсилювачі

Виконайте  аналіз  шумової напруги для резисторів R₁ і R₂ і покажіть  графік спектра шуму залежно від  частоти в діапазоні між 10 Гц и 10 ГГц.

Для виконання аналізу шумів виберіть меню зі списком доступних аналізів Simulate/Analyses.

Параметри аналізу шумів установлюються в діалоговому вікні закладки Analysіs parameters (див. рисунок 2).

Рисунок  2 - Установка параметрів в закладці Analysіs parameters

Частотні параметри аналізу шуму встановлюються в діалоговому вікні закладки Frequence parameters: (див. рисунок 3).

Рисунок 3 - Установка частотних параметрів в закладці Frequence parameters

Виберіть закладку Output, установіть наступні змінні для відображення при симуляції:  innoise_total_rr1 та  innoise_total_rr2 (див. рисунок 4).

Рисунок  4 - Вибір змінних для відображення при симуляції в закладці Output

Клацніть кнопку Simulate. У вікні Grapher View відобразиться діаграма з даними аналізу шуму в резисторах (див. рисунок 5).

Результати виміру дисперсій напруг теплового шуму е²_ш  в резисторах R₁ і R₂ занесіть у таблицю 1.

Порівняйте розраховані та виміряні значення напруг теплового шуму.

Рисунок  5 - Приклад результату виміру дисперсій напруг теплового шуму

Щоб побудувати графіки напруги теплового шуму в резисторах залежно від  частоти [V²/Гц], необхідно  заново ініціювати аналіз.

В діалоговому вікні закладки Analysіs parameters (див. рисунок 6) установіть опцію «Calculate power spectral density curves» (Розрахувати криві спектральної щільності потужності).

Рисунок 6 - Ініціалізація  побудови кривих  спектральної щільності шуму

На закладці Output виберіть змінні для відображення в процесі симуляції: onoise_rr1 та  onnoise_rr2.

Клацніть по кнопці Simulate. Вікно Grapher View відобразить криві спектральної щільності потужності (див. рисунок 7).

Рисунок 7 - Приклад кривих спектральної щільності потужності шумів

Графік на рисунку показує, що напруга шуму постійна для низьких частот. На високих частотах напруга шуму істотно знижується.

Співвідношення сигнал/шум (англ. SNR, Signal-to-noise ratio) — міра, яка застосовується в інженерії для визначення, наскільки сильно сигнал спотворений шумом. Співвідношення сигнал/шум визначається як відношення потужності корисного сигналу до потужності шуму. Чим більше SNR, тим менш помітний фоновий шум.

SNR визначається як відношення потужності сигналу (значимої інформації) до потужності фонового шуму:

,                                                (6)

де  U – дійсне значення напруги.

SNR часто виражається, використовуючи логарифмічну децибельну шкалу:

.                                       (7)

Включіть живлення  схеми операційного підсилювача у програмі Multisim.

Виміряйте величину вихідної напруги підсилювача U_signal.

Від’єднайте  позитивний вивід джерела сигналу Е₁ від підсилювача й знову виміряйте величину вихідної напруги підсилювача U_вих.noise (посилена напруга шуму).

Зніміть осцилограму шуму на виході підсилювача (див. рисунок 8).

Рисунок 8 – Приклад осцилограми шуму на виході ОП

 Обчисліть  величину напруги шуму на вході підсилювача U_noise :

 U_{noise =} U_вих.noise /K_U.                                                (8)

Обчисліть SNR по формулі (7), використовуючи логарифмічну децибельну шкалу.

Результати вимірів і обчислень занесіть у таблицю 2.

Таблиця 2 - Результати розрахунків і вимірів SNR

Довідка. Значення SNR від 45…60 дБ відповідають прийнятній якості відеосигналу, значення SNR менш 40 дБ означає високий рівень шумів у відеосигналі й, як наслідок, низька якість відеозображення. Для музичних цілей бажано, щоб SNR був не менш 75 дБ, а для систем з високоякісним звучанням не менш 90 дБ. Телефонний мовний канал має SNR близько 30 дБ.

Для виконання комп’ютерного аналізу коефіцієнта шуму виберіть меню зі списком доступних параметрів аналізу Simulate/Noise Figure Analyses (див. рисунок 9).

Рисунок 9 – Установка параметрів аналізу коефіцієнта шуму

Клацніть по кнопці Simulate. Вікно Grapher View відобразить результат аналізу коефіцієнта шуму (див. рисунок 10).

Рисунок 10 - Приклад аналізу коефіцієнта шуму

Результат аналізу  коефіцієнта шуму занесіть у таблицю 2. Порівняйте розраховані та виміряні значення SNR.

Зміст звіту з лабораторної роботи

1. Назва і мета роботи.
2. Схема виміру шумів в ОП.
3. Результат виміру дисперсій напруг теплового шуму.
4. Криві  спектральної щільності шуму.
5. Осцилограма шуму на виході ОП.
6. Аналіз коефіцієнта шуму.
7. Таблиці вимірів та обчислень. Формули розрахунків.
8. Короткі висновки за результатами виконання роботи.
9. Коротка відповідь на контрольне запитання.

Контрольне питання

1. Що означає термін "білий шум"?

Література

1.                Гуржій А.М.,  Поворознюк Н.І. Електричні і радіотехнічні  вимірювання / А.М. Гуржій,  Н.І. Поворознюк. – Київ: Навчальна  книга,  2002.
2.               Муратов В.Г. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади  навчальний посібник. - вид. 2-е, доп. / В.Г Муратов. - К.: Освіта України, 2016 - (Рек. МОН України).

©Тосенко О.М., НКПФК, 2024