CC BY
122
Чайковский B.C. ИЗМЕРЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ NATIONAL INSTRUMENTS
Существенное влияние на качество и сроки разработки электронных устройств оказывают методы анализа принципиальных схем. Аналитические методы, основанные на громоздких математических расчётах, являются трудоёмкими и требуют больших затрат времени. Наиболее простым и эффективным в настоящее время является метод анализа схем на основе современных систем автоматизированного моделирования.
Базовым активным элементом аналоговой схемотехники является операционный усилитель (ОУ), поэтому качество макромоделей (ММ) ОУ, содержащихся в базах данных систем моделирования, имеет важное значение. Одним из серьёзных недостатков многих ММ ОУ является отсутствие информации об их шумовых характеристиках. Чтобы решить эту проблему, можно дополнить ММ, воспользовавшись данными справочной литературы, однако, шумовые характеристики ОУ обычно представлены недостаточно полно, часто отсутствуют параметры шумового тока (например [1-3]). Другим способом решения является создание аппаратно-программного комплекса, реализующего измерение всех необходимых шумовых параметров.
В настоящей статье описывается аппаратно-программный комплекс для исследования шумовых параметров ОУ, позволяющий создавать фрагмент ММ, содержащий модели генераторов ЭДС шума и тока шума, на основе реального ОУ.
Описание решения
Основой измерительного стенда является персональный компьютер с установленной многофункциональной платой ввода/вывода N1 DAQ М 6221 и средой графического программирования ЬаЬУ1ЕИ. Для
схемотехничесокого моделирования использовалась программа Multisim.
Частотная характеристика шумов ОУ моделируется с помощью трёх источников шума на входе ОУ -
двух источников тока шума 1п1и 1п2 и источника ЭДС шума Еп (рисунок 1).
Рисунок 1. Эквивалентная схема ОУ.
Источники шума создаются с помощью стандартных шумящих элементов - резисторов и диодов. Резисторы генерируют белый шум, диоды производят как белый так и 1/^шум (фликкер-шум). На рисунке 2 изображена стандартная эквивалентная схема источника шума.
Рисунок 2. Стандартная эквивалентная схема источника шума.
Для того чтобы получить требуемую спектральную плотность шума, необходимо задать соответствующие параметры диодов Dn1 и Dn2. Обычно, для представления спектральной плотности шума используют следующие параметры [4]: ^ - ток насыщения при номинальной температуре; RS - объёмное сопротивление базы; AF - показатель степени фликкер-шума; ^ - коэффициент фликкер-шума.
Чтобы сформировать эквивалентную схему источника шума, необходимо определить спектральную плотность шума ОУ и по ней рассчитать необходимые параметры источника шума. Для этого был разработан и создан аппаратно-программный измерительный комплекс, обеспечивающий автоматизированное измерение шумовых параметров ОУ. Аппаратная часть комплекса состоит из измерительной схемы, устройства ввода/вывода (DAQ М-серии РС1-6221) и персонального компьютера (рисунок 3).
I________________________________________________________________________J
Рисунок 3. Структурная схема измерителя шумовых параметров ОУ. DA1 - проверяемый ОУ; DA2 - дополнительный ОУ; G1, G2 - источники постоянного напряжения; R1 - резистор, имитирующий сопротивление источника шума; S1, S2 - устройства коммутации.
Данное устройство обеспечивает измерение всех шумовых параметров ОУ, определённых ГОСТ 23089.12-86: нормированную ЭДС и ток шума, эффективное значение шума и размах шума. Подробное
описание устройства дано в [5].
На рисунке 4 приведены графики зависимости нормированной ЭДС и тока шума от частоты для ОУ 54 4УД2, полученные в результате работы комплекса.
Рисунок 4. Зависимость нормированной ЭДС и тока шума от частоты.
В результате работы программы была сформирована часть ММ ОУ, содержащая информацию о шумах. После дополнения ММ ОУ 54 4УД2, было проведено моделирование его шумов в программе Multisim, результаты моделирования шума на входе ОУ приведены на рисунке 5.
Noise Spectral Density Curves - (VA2 or AA2)/Hz
3_0e-013 I
•5.0e-0I4 -I----—................—................—................—................—................—..........
1 10 100 lk 10k 100k IM
Частота (Hz)
Рисунок 5. Спектральная плотность шума ОУ 54 4УД2, полученная с помощью программы МиН^эл-т. Таким образом, с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса была решена проблема, связанная с исследованием и моделированием шумовых характеристик ОУ.
Заключение
Разработанный комплекс может быть использован для измерения шумовых параметров ОУ общего применения при входном контроле на предприятиях приборостроения, а также позволяет создавать шумовые модели ОУ, необходимые для схемотехнического моделирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авербух В. Д. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «ДОДЭКА-ХХ1»,
2001.
2. Интегральные микросхемы: Операционные усилители. Обзор - М.: ДОДЭКА, 19 94.
3. Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / Б. Кудряшов - М.; Радио и связь, 1981.
4. Моделирование полупроводникового диода: Методические указания по курсу "Компьютерный анализ электронных схем"/В.В. Кийко. Екатеринбург: УПИ-УГТУ, 2 0 01.
5. Пучков М.В., Светлов А.В., Чайковский В.С., Чураков П.П. Измерение шумовых параметров операционных усилителей с применением аппаратно-программных средств National Instruments // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: VI Международ. научно-практ. конф. - М.: Изд-во РУДН, 2007. - С. 96 - 100.
