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Aprenda a medir el ruido usando LTspice para circuitos de amplificador operacional con ejemplos prácticos.

En artículos anteriores, introdujimos el ruido de modelado con LTspice y simulamos las fuentes de ruido en LTspice. Este artículo muestra cómo usar LTspice para medir el ruido de un amplificador operacional y de un amplificador operacional combinado con una etapa de entrada de doble JFET. ¿Qué tan exactas son las medidas? ¿Son útiles? Para averiguarlo, los resultados se comparan con las especificaciones de ruido en las hojas de datos.

En este artículo y en la nota de aplicación de Analog Devices se puede encontrar un excelente resumen del ruido del amplificador operacional y cómo se combinan las fuentes de ruido. Una excelente explicación de cómo convertir un valor RMS a pico a pico se encuentra en este video de Analog Devices.

Ejemplo de simulación de ruido LTspice: amplificador operacional de bajo ruido

El primer componente a probar es un amplificador operacional de bajo ruido. El circuito es un amplificador estándar no inversor con una resistencia en serie con la entrada no inversora para medir el ruido de corriente de polarización.

Los valores para las fuentes de alimentación y la resistencia de entrada se han parametrizado para facilitar su cambio y uso en las directivas .STEP. Más sobre esto más adelante. ¿Por qué se agrega "sin ruido" a los valores de resistencia? Al agregar este atributo no documentado a una resistencia, LTspice ignora la resistencia como fuente de ruido. Esta característica es muy útil porque el ruido adicional de las resistencias no tiene que ser sustraído de la medición. El atributo silencioso se puede agregar utilizando el Editor de atributos de componente. Inicie este editor manteniendo presionada la tecla de control y haciendo clic derecho en el cuerpo de la resistencia. Agregue la palabra "sin ruido" como un valor adicional. Con esta función, la ÚNICA fuente de ruido es el amplificador operacional. ¡Perfecto!

El op-amp es un dispositivo analógico ADA4627. No se trabajó mucho en la elección de esta parte. El ADA4627 me llamó la atención tras un rápido escaneo de la tabla de selección de amplificadores operacionales de bajo ruido de Analog Devices. Tiene poco ruido y admite voltajes de alimentación de ± 5V a ± 15V. Luego, una verificación de la hoja de datos mostró que el ruido está bien especificado. No se eligió porque las especificaciones de la hoja de datos coincidían o no con las pruebas de LTspice.

Aquí está la sección de ruido de la hoja de datos ADA4627. La columna de la izquierda corresponde a las partes de "Calificación B" y la derecha a las partes de "Calificación A". Las especificaciones se utilizan en la tabla de comparación a continuación.

La tabla es de la hoja de datos de Analog Devices ADA4627

Aquí están las directivas de LTspice utilizadas en la simulación.

Las condiciones de medición se establecen con declaraciones en el lado izquierdo. Las sentencias .PARAM proporcionan valores a las variables en el esquema. Estos son los nombres de las variables entre llaves, por ejemplo, {RINP}. Las sentencias .STEP ejecutan múltiples simulaciones con diferentes valores de variables. Por ejemplo, dos ejecuciones se realizan con diferentes valores de la resistencia de entrada. Hay un pequeño valor para la medición de ruido de voltaje de entrada (Paso # 1) y un gran valor para la medición de ruido de corriente de entrada (Paso # 2).

Las mediciones se especifican con sentencias .MEAS en el lado derecho. No se requieren cálculos adicionales para comparar con la hoja de datos. No voy a entrar en los detalles de cada declaración .MEAS. Sin embargo, veamos uno para obtener el ruido del voltaje de entrada a 1kHz.

.meas NOISE en1_1k_RMS FIND V (inoise) @ 1 AT 1K

RUIDO – Aplicar la medida a una simulación de ruido.

en1_1k_RMS – Solo un nombre para el resultado. Utilizado en el archivo de registro.

ENCONTRAR – Especifica la medida, que en este caso solo está obteniendo un valor de datos

V (inoise) @ 1 – El conjunto de datos a utilizar en la medición. Los detalles están abajo.

EN 1K – Selecciona la frecuencia de los datos.

Ahora por la magia. Haga clic en el ingeniero en ejecución.

Aquí hay una gráfica que muestra los resultados de la simulación de dos pasos. La traza verde es el Paso # 1 con una resistencia de entrada de 1Ω. La traza púrpura es el Paso # 2 con una resistencia de entrada de 10MΩ. La traza roja muestra la diferencia entre las dos carreras.

"V (inoise)" necesita una explicación. “V (inoise)” es el ruido de voltaje de salida de todo el circuito que se refiere a la entrada. LTspice calcula esto para cada simulación de ruido. Esto se explica más abajo. Recuerde que las fuentes de ruido se suman y restan de manera RMS. A medida que una fuente de ruido se hace más grande que otra, comienza a dominar completamente. ¡No hay problema! ¡LTspice se encarga del cálculo por nosotros!

Los datos para una ejecución particular de .STEP se seleccionan agregando "@ 1" o "@ 2" después de una fuente. Por ejemplo, "@ 1" es la ejecución con la resistencia de entrada pequeña.

Los datos de las declaraciones .MEAS se encuentran en el Registro de errores de Spice. Aquí hay una tabla que compara los valores de la hoja de datos con los valores medidos. ¡No está mal!

La hoja de datos proporciona valores pico a pico para ruido de 0,1 a 10 Hz (1 / ƒ región) pero LTspice calcula RMS. Apliqué un factor de 5 para convertir RMS en pico a pico. El ruido de voltaje es el mismo para los grados A y B. Sin embargo, el ruido actual es diferente. El grado B se muestra en la tabla.

Los resultados de la medición se encuentran en el "Registro de errores de especias". Abra este archivo seleccionando la ventana de trazado y seleccione Ver-> Registro de errores de especias. Desplácese hacia abajo hasta los resultados de .MEAS. Aquí está la entrada para la medición de ruido de voltaje explicada anteriormente.

Directiva sobre el esquema:

.meas NOISE en1_1K_RMS FIND V (inoise) @ 1 AT 1K

Entrada correspondiente en el registro de errores de especias:

Medida: en1_1k_RMS
             paso v (inoise) @ 1 en
             5.03632e-009 1000
             5.03632e-009 1000

Los resultados de las mediciones se muestran para cada paso. Sin embargo, en estas ejecuciones, el valor del Paso # 2 se reemplaza con el valor del Paso # 1 ya que los datos se especifican con la especificación "@ 1".

¿Cuál es la fuente "V (inoise)" en las directivas .MEAS? De la Ayuda de LTspice, V (inoise) es un cálculo de "densidad de voltaje de ruido referido de entrada". Esta fuente de ruido es el ruido de salida referido nuevamente a la entrada para TODAS las fuentes de ruido en el circuito. Sin embargo, como todas las resistencias son "silenciosas", el ruido es solo el ruido de entrada del amplificador operacional. De nuevo, perfecto!

Aquí hay gráficos para explicar “V (inoise)” o “Densidad de voltaje de ruido referido a entrada”. V (inoise), V (onoise) y ganancia se muestran en ventanas separadas. Los cursores de medición para V (inoise) y V (onoise) se colocan a 1 kHz. Dividir el ruido de salida V (onoise) por V (inoise) es la ganancia del circuito de 50. V (inoise) es el ruido de entrada del amplificador operacional, ya que todas las resistencias son "silenciosas".

Ejemplo de simulación de ruido LTspice 2: amplificador operacional JFET de bajo ruido

El siguiente componente a probar es un JFET dual de muy bajo ruido. Aquí hay un diagrama del circuito.

Aquí hay puntos clave que hacen que la medición del ruido sea casi la misma que la del circuito de amplificación operativa.

1. La ganancia del par diferencial es lo suficientemente grande como para que el ruido del amplificador operacional sea muy pequeño en comparación con el ruido JFET amplificado y se pueda ignorar.
2. El ruido de la fuente actual que desvía a los JFET (I1) es común a las dos entradas del amplificador operacional y se elimina por el rechazo en modo común del amplificador operacional.
3. El ruido de las resistencias de drenaje (RD1, RD2) se elimina con el atributo "sin ruido" LTspice.

El JFET dual es el LSK489 de Linear Integrated Systems. Esta parte fue elegida porque está en la biblioteca estándar de LTspice y es un dispositivo de muy bajo nivel de ruido. No se eligió porque las especificaciones de la hoja de datos coincidían o no con las pruebas de LTspice. Aquí está el esquema completo.

Este circuito está adaptado de una nota de aplicación de circuitos integrados lineales.

Hay partes parametrizadas adicionales. R3 establece la corriente de drenaje de los JFET y, junto con R1 y R2, establece el voltaje de drenaje a la fuente. El circuito está adaptado de una nota de aplicación de Linear Integrated Systems. Me gustó el uso de un LED para establecer el punto de operación de Q1. ¡Esto era nuevo para mí!

Las medidas son muy similares a las de la simulación de amplificador operacional. Una diferencia es que el circuito tiene dos JFET y ambos contribuyen al ruido de voltaje de entrada. La hoja de datos da el ruido para un JFET. Cuando sea necesario, la medición del ruido combinado se multiplica por 1 / √2 para obtener el ruido de un solo dispositivo. Este ajuste no es necesario para la medición del ruido de la corriente de entrada porque la resistencia de la serie grande está solo en una entrada. Las especificaciones de ruido en la hoja de datos asumen un voltaje de fuente de drenaje de 15 VCC. Sin embargo, el circuito de prueba usa 9,5 VCC para mantenerse dentro del rango de voltaje de modo común del amplificador operacional. Por si acaso, las pruebas se realizaron en un rango de voltaje de la fuente de drenaje y los resultados indicaron que el voltaje de la fuente de drenaje no afecta significativamente el ruido. ¿Puedes ver el .STEP para esta prueba?

Una vez más, un toque de la varita mágica al ingeniero en ejecución. ¿Cómo se comparan las medidas de LTspice con la hoja de datos?

¡No está mal! Se muestran mediciones adicionales que no están en la hoja de datos pero son útiles para la comparación con el circuito del amplificador operacional.

Conclusión

Se usó LTspice para medir el voltaje y el ruido de la corriente para un amplificador operacional de bajo ruido y el mismo amplificador operacional con JFET dobles de bajo ruido agregados a la entrada. Existe una buena concordancia entre los valores simulados y los valores en la hoja de datos para ambos dispositivos. Las directivas .STEP y .MEAS se utilizan para calcular valores para comparar directamente con hojas de datos.

Consejo de bonificación

Las hojas de datos del amplificador operacional de bajo ruido a menudo tienen una figura que muestra un rastro de ruido del osciloscopio de 10 segundos en la banda de 0,1 Hz a 10 Hz. Con las herramientas disponibles, puede digitalizar esta traza y convertirla en un archivo CSV. Luego, el archivo CSV se usa para especificar una fuente de voltaje PWL. Las figuras muestran una gráfica de hoja de datos y la gráfica correspondiente de un análisis de Transientes con una fuente de PWL. El sitio que utilicé para convertir el gráfico es WebPlotDigitizer (es gratis). Asegúrese de usar la opción para reorganizar las entradas de archivos en orden. ¿Puedes pensar en algo útil para esta forma de onda?

El gráfico es de la hoja de datos de Analog Devices ADA4627.

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LTspiceAmpNoise.zip