Altifigence Academy

27 / 32 · Konzept

Rauschen ist ein bandbreitenabhängiges Fehlerbudget

Schätzen Sie Widerstandsrauschen ab und kombinieren Sie unabhängige Beiträge durch Wurzel aus der Quadratsumme.

Zufällige Schwankung unterscheidet sich von Gleichspannungsoffset

Rauschen verändert sich mit der Zeit; Offset ist eine systematische Verschiebung des Mittelwerts. Sie erfordern unterschiedliche Messungen und Abhilfen. Für weiße Spannungsrauschdichte en in V/√Hz und ideale rechteckige Rauschbandbreite B beträgt das Effektivrauschen enBe_n\sqrt{B}. Reale Filter besitzen eine äquivalente Rauschbandbreite, die nicht gleich der −3-dB-Signalbandbreite sein muss. Ein einpoliger Tiefpass hat für weißes Rauschen die Bandbreite π/2 mal seine Grenzfrequenz.

Ein idealer Widerstand bei absoluter Temperatur T hat thermische Spannungsrauschdichte 4kTR\sqrt{4kTR} mit Boltzmannkonstante k = 1.380649 × 10⁻²³ J/K. Bei T = 300 K und R = 10 kΩ beträgt sie 12.8716 nV/√Hz. Über eine angegebene rechteckige Bandbreite 100 Hz ist der Effektivwert 128.716 nV. Durch ideale Verstärkung 11 werden daraus 1.41588 μV Effektivwert am Ausgang.

Unabhängige Quellen richtig kombinieren

Bei zwei unabhängigen eingangsbezogenen Effektivrauschbeiträgen 2 μV und 3 μV beträgt die Summe 22+32=3.605551\sqrt{2^2+3^2}=3.605551 μV statt 5 μV. Korreliertes Rauschen benötigt Kreuzterme und darf diese Abkürzung nicht verwenden. Ein Operationsverstärker hat auch Stromrauschdichte; ihr Fluss durch die Quellenimpedanz erzeugt Spannungsrauschen. Daher ist das Bauteil mit dem niedrigsten Spannungsrauschen für einen hochohmigen Sensor nicht automatisch am besten.

Bei angenommenen 1 pA/√Hz Stromrauschdichte und 100 kΩ resistiver Quelle beträgt die äquivalente Spannungsdichte 100 nV/√Hz. Das kann den Spannungsrauschterm des Verstärkers übersteigen. Bei niedriger Frequenz können Funkelrauschen und Drift dominieren, daher muss eine Schätzung nur weißen Rauschens ihren Frequenzbereich angeben.

Messen, ohne ein neues Problem zu erzeugen

Definieren Sie Verstärkung, Bandbreite, Mittelung und Bezug des Ergebnisses auf Eingang oder Ausgang. Prüfen Sie 50/60-Hz-Einstreuung, Versorgungskopplung und Masseführung, bevor Sie jedes unerwünschte Signal „Bauteilrauschen“ nennen. Wiederholen Sie die Messung mit einer repräsentativen Impedanz statt der Signalquelle und keinem unrealistischen Kurzschluss, der Stromrauscheffekte entfernt. ADI MT-047 erklärt die Quellenimpedanzabhängigkeit und das Widerstandsrauschmodell.

Selbst ausprobieren

Ein Verstärker hat unabhängige eingangsbezogene weiße Rauschterme 4 nV/√Hz und 3 nV/√Hz. Wie groß sind kombinierte Dichte und Effektivwert über rechteckige 1-kHz-Bandbreite?

Erklärung lesen

Dichte = √(4²+3²) = 5 nV/√Hz. Effektivwert = 5√1000 = 158.113883 nV. Dies setzt Unabhängigkeit, weiße Spektren und rechteckige Bandbreite voraus.

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