PSpice - Rauschen simulieren

[Simone Winkler]

Hallo,

ich bin dabei, eine Verstärkerschaltung (eine kritische differentielle Stufe
vor einem AD-Wandler) auf Rauschen zu untersuchen - mittels Simulation in
PSpice / Orcad.

Dabei habe ich, wie hoffentlich richtig, als Ausgangsspannung einfach den
Ausgangsknoten angegeben, die Eingangsspannungsquelle als Independent Source
eingetragen und beim Intervall vorläufig nichts. Soweit so gut, es
simuliert.

Nur kommt mir vor, daß das ganze irgendwie gar nicht soviel macht...mein
Eindruck ist, daß der Einfluß der Widerstände nicht mitgerechnet wird (wenn
man z.B. das thermische Rauschen plottet, ist das gleich 0).
Wie kann ich denn das Widerstandsrauschen einbeziehen? Brauche ich dazu ein
anderes Model für den Widerstand? Oder ist das irgendein Parameter, den man
verändern muß?

Weiß jemand, was dann da überhaupt an Rauschen berechnet wird?
Wahrscheinlich nur das, das aus den ICs kommt (bzw. aus deren Models) oder?
In meiner Schematic befinden sich sozusagen nur OPVs, Widerstände, Spulen
und Kondensatoren. Und die AC-Spannungsquelle vorne bzw. ideale
Gleichspannungsquellen für die Versorgung der OPVs (+/- 5V).
Man kann allerdings einen Effekt erkennen, wenn man die Amplitude der
AC-Spannungsquelle am Eingang erhöht, also rechnen tut das schon was ;-).

Die entsprechende Rechgengenauigkeit ist übrigens richtig eingestellt.

Vielen Dank für Eure Antworten!

Simone

 

[Helmut Sennewald]

"Simone Winkler" <simone.winkler@gmx.at> schrieb im Newsbeitrag
news:1087310496.828498@news.liwest.at...

Hallo,

ich bin dabei, eine Verstärkerschaltung (eine kritische differentielle
Stufe
vor einem AD-Wandler) auf Rauschen zu untersuchen - mittels Simulation in
PSpice / Orcad.

Dabei habe ich, wie hoffentlich richtig, als Ausgangsspannung einfach den
Ausgangsknoten angegeben, die Eingangsspannungsquelle als Independent
Source
eingetragen und beim Intervall vorläufig nichts. Soweit so gut, es
simuliert.

Hallo Simone,
ich habe gerade mal das Ganze mit dem Differenzverstärker("example") der
bei der Demoversion V9.x(auch 10.0 und 8.x) dabei ist ausprobiert.
Das Feld "Interval" habe ich auch freigelassen im Setup.

Nur kommt mir vor, daß das ganze irgendwie gar nicht soviel macht...mein
Eindruck ist, daß der Einfluß der Widerstände nicht mitgerechnet wird
(wenn
man z.B. das thermische Rauschen plottet, ist das gleich 0).
Wie kann ich denn das Widerstandsrauschen einbeziehen? Brauche ich dazu
ein
anderes Model für den Widerstand? Oder ist das irgendein Parameter, den
man
verändern muß?

Keine Sorge, die Widerstände sind immer dabei.
Ein 6KOhm Widerstand rauscht ungefähr mit 10nV/Wurzel(Hz).
Das ergibt bei 1MHz Bandbreite:
Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 1e-9*1e3 = 1uV Rauschen.
Das wird natürlich dann von dem eventuell nachfolgenden Verstärker
noch verstärkt.

Du solltest dir allerdings Sorgen darüber machen, ob denn die Opamps
überhaupt ihr eigenes Rauschen enthalten. Und falls ja, wieviel
Rauschen wird denn im Modell erzeugt.
Ist das 1/f Rauschen überhaupt dabei? Dieses ist allerdings eher dann
von Interesse wenn man nur von 0 bis z.B. 10KHz arbeitet.
Bei 1MHz Bandbreite kann man den Einfluß vernachlässigen.

Die einzige Chance hier Klarheit zu bekommen, ist eine Testschaltung
für jeden Opamp-Typ den man einsetzt um dessen Rauschmodell zu untersuchen.
AC-Quelle->OPamp(V=+1) und dann V(onoise) anschauen.

Weiß jemand, was dann da überhaupt an Rauschen berechnet wird?

V(onoise) ist die Rauschleistungsdichte in nV/Wurzel(Hz).

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2))
Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines
Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers.
Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch
darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.


Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(netzname).
Wenn ich mir die Werte von NTOT so anschaue, dann behaupte ich
jetzt einfach mal das ist der Anteil der Rauschspannungsdichte
in V^2/Hz bezogen auf die Gesamtrauschleistungsdichte(V(onoise)^2)
am Ausgang.
Mach halt mal ein Beispiel (nur Spannungsteiler) wo du weißt was
herauskommen muß und vergleiche.
Ein Blick ins Manual PSPCREF.PDF dürfte auch nicht schaden.

Wahrscheinlich nur das, das aus den ICs kommt (bzw. aus deren Models)
oder?
In meiner Schematic befinden sich sozusagen nur OPVs, Widerstände, Spulen
und Kondensatoren. Und die AC-Spannungsquelle vorne bzw. ideale
Gleichspannungsquellen für die Versorgung der OPVs (+/- 5V).
Man kann allerdings einen Effekt erkennen, wenn man die Amplitude der
AC-Spannungsquelle am Eingang erhöht, also rechnen tut das schon was ;-).

Ob AC 1V oder 0.1V ist macht keinen Unterschied für V(onoise).


Gruß
Helmut


Du kennst LTSPICE?

LTSPICE ist freies SPICE ohne Begrenzung in der Schaltungsgröße
und natürlich im Stil der Zeit mit graphischem User Interface.
www.linear.com/software

Eine unabhängige Newsgroup dazu gibt es auch.
http://groups.yahoo.com/group/LTspice/

 

[Helmut Sennewald]

"Helmut Sennewald" <HelmutSennewald@t-online.de> schrieb im Newsbeitrag
news:cansdm$mmr$00$1@news.t-online.com...

"Simone Winkler" <simone.winkler@gmx.at> schrieb im Newsbeitrag
news:1087310496.828498@news.liwest.at...
Hallo,

ich bin dabei, eine Verstärkerschaltung (eine kritische differentielle
Stufe
vor einem AD-Wandler) auf Rauschen zu untersuchen - mittels Simulation
in
PSpice / Orcad.

Dabei habe ich, wie hoffentlich richtig, als Ausgangsspannung einfach
den
Ausgangsknoten angegeben, die Eingangsspannungsquelle als Independent
Source
eingetragen und beim Intervall vorläufig nichts. Soweit so gut, es
simuliert.

Hallo Simone,
ich habe gerade mal das Ganze mit dem Differenzverstärker("example") der
bei der Demoversion V9.x(auch 10.0 und 8.x) dabei ist ausprobiert.
Das Feld "Interval" habe ich auch freigelassen im Setup.


Nur kommt mir vor, daß das ganze irgendwie gar nicht soviel macht...mein
Eindruck ist, daß der Einfluß der Widerstände nicht mitgerechnet wird
(wenn
man z.B. das thermische Rauschen plottet, ist das gleich 0).
Wie kann ich denn das Widerstandsrauschen einbeziehen? Brauche ich dazu
ein
anderes Model für den Widerstand? Oder ist das irgendein Parameter, den
man
verändern muß?

Keine Sorge, die Widerstände sind immer dabei.
Ein 6KOhm Widerstand rauscht ungefähr mit 10nV/Wurzel(Hz).
Das ergibt bei 1MHz Bandbreite:
Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 1e-9*1e3 = 1uV Rauschen.

Korrektur:
Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 10e-9*1e3 = 10uV Rauschen.

Das wird natürlich dann von dem eventuell nachfolgenden Verstärker
noch verstärkt.

Du solltest dir allerdings Sorgen darüber machen, ob denn die Opamps
überhaupt ihr eigenes Rauschen enthalten. Und falls ja, wieviel
Rauschen wird denn im Modell erzeugt.
Ist das 1/f Rauschen überhaupt dabei? Dieses ist allerdings eher dann
von Interesse wenn man nur von 0 bis z.B. 10KHz arbeitet.
Bei 1MHz Bandbreite kann man den Einfluß vernachlässigen.

Die einzige Chance hier Klarheit zu bekommen, ist eine Testschaltung
für jeden Opamp-Typ den man einsetzt um dessen Rauschmodell zu
untersuchen.
AC-Quelle->OPamp(V=+1) und dann V(onoise) anschauen.


Weiß jemand, was dann da überhaupt an Rauschen berechnet wird?

V(onoise) ist die Rauschleistungsdichte in nV/Wurzel(Hz).

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2))
Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines
Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers.
Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch
darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.


Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(netzname).
Wenn ich mir die Werte von NTOT so anschaue, dann behaupte ich
jetzt einfach mal das ist der Anteil der Rauschspannungsdichte
in V^2/Hz bezogen auf die Gesamtrauschleistungsdichte(V(onoise)^2)
am Ausgang.
Mach halt mal ein Beispiel (nur Spannungsteiler) wo du weißt was
herauskommen muß und vergleiche.
Ein Blick ins Manual PSPCREF.PDF dürfte auch nicht schaden.

Wahrscheinlich nur das, das aus den ICs kommt (bzw. aus deren Models)
oder?
In meiner Schematic befinden sich sozusagen nur OPVs, Widerstände,
Spulen
und Kondensatoren. Und die AC-Spannungsquelle vorne bzw. ideale
Gleichspannungsquellen für die Versorgung der OPVs (+/- 5V).
Man kann allerdings einen Effekt erkennen, wenn man die Amplitude der
AC-Spannungsquelle am Eingang erhöht, also rechnen tut das schon was
;-).

Ob AC 1V oder 0.1V ist macht keinen Unterschied für V(onoise).


Gruß
Helmut


Du kennst LTSPICE?

LTSPICE ist freies SPICE ohne Begrenzung in der Schaltungsgröße
und natürlich im Stil der Zeit mit graphischem User Interface.
www.linear.com/software

Eine unabhängige Newsgroup dazu gibt es auch.
http://groups.yahoo.com/group/LTspice/

 

[Simone Winkler]

"Helmut Sennewald" <HelmutSennewald@t-online.de> schrieb

Keine Sorge, die Widerstände sind immer dabei.
Ein 6KOhm Widerstand rauscht ungefähr mit 10nV/Wurzel(Hz).
Das ergibt bei 1MHz Bandbreite:
Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 1e-9*1e3 = 1uV Rauschen.
Das wird natürlich dann von dem eventuell nachfolgenden Verstärker
noch verstärkt.

Dann sind meine Werte relativ sinnvoll - ich muß sie ja noch über die
Bandbreite integrieren. Ich liege so bei -124dB bzw. rund 400nV/Sqrt(Hz) am
Ausgang.

Du solltest dir allerdings Sorgen darüber machen, ob denn die Opamps
überhaupt ihr eigenes Rauschen enthalten. Und falls ja, wieviel
Rauschen wird denn im Modell erzeugt.

Habe festgestellt, daß es in den hinteren Stufen dabei ist, nur in der
ersten Stufe nicht...(schlecht, die beeinflußt am stärksten...)

Ist das 1/f Rauschen überhaupt dabei? Dieses ist allerdings eher dann
von Interesse wenn man nur von 0 bis z.B. 10KHz arbeitet.
Bei 1MHz Bandbreite kann man den Einfluß vernachlässigen.

1/f-Rauschen ist laut einfacher Simulation dabei. )

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2))
Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines
Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers.
Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch
darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.

Kann man in Orcad irgendwie den über die gesamte (simulierte) Bandbreite
integrierten Wert darstellen?

Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(netzname).
Wenn ich mir die Werte von NTOT so anschaue, dann behaupte ich
jetzt einfach mal das ist der Anteil der Rauschspannungsdichte
in V^2/Hz bezogen auf die Gesamtrauschleistungsdichte(V(onoise)^2)
am Ausgang.

so sehe ich das auch.

Ob AC 1V oder 0.1V ist macht keinen Unterschied für V(onoise).

Entschuldigung, da hab ich mich natürlich vertan...

Gruß
Helmut


Du kennst LTSPICE?

LTSPICE ist freies SPICE ohne Begrenzung in der Schaltungsgröße
und natürlich im Stil der Zeit mit graphischem User Interface.
www.linear.com/software

Eine unabhängige Newsgroup dazu gibt es auch.
http://groups.yahoo.com/group/LTspice/

Danke für den Newsgroup-Tip! LTSpice benutze ich zwar nicht (sondern Orcad),

aber Spice bleibt doch immer wieder Spice.

Vielen Dank für die freundliche und ausführliche Hilfe!

Simone

 

[Helmut Sennewald]

"Simone Winkler" <simone.winkler@gmx.at> schrieb im Newsbeitrag
news:1087415291.425805@news.liwest.at...

"Helmut Sennewald" <HelmutSennewald@t-online.de> schrieb

Keine Sorge, die Widerstände sind immer dabei.
Ein 6KOhm Widerstand rauscht ungefähr mit 10nV/Wurzel(Hz).
Das ergibt bei 1MHz Bandbreite:
Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 1e-9*1e3 = 1uV Rauschen.

Korrektur:
Vrms = 10e-9*Wurzel(1e6) = 10e-9*1e3 = 10uV Rauschen.

Das wird natürlich dann von dem eventuell nachfolgenden Verstärker
noch verstärkt.

Dann sind meine Werte relativ sinnvoll - ich muß sie ja noch über die
Bandbreite integrieren. Ich liege so bei -124dB bzw. rund 400nV/Sqrt(Hz)
am
Ausgang.


Du solltest dir allerdings Sorgen darüber machen, ob denn die Opamps
überhaupt ihr eigenes Rauschen enthalten. Und falls ja, wieviel
Rauschen wird denn im Modell erzeugt.

Habe festgestellt, daß es in den hinteren Stufen dabei ist, nur in der
ersten Stufe nicht...(schlecht, die beeinflußt am stärksten...)

Hallo Simone,
vielleicht kannst du ja einen ähnlichen OP mit simuliertem Rauschen
da einsetzen um das Rauschen mitzusimulieren.

Ist das 1/f Rauschen überhaupt dabei? Dieses ist allerdings eher dann
von Interesse wenn man nur von 0 bis z.B. 10KHz arbeitet.
Bei 1MHz Bandbreite kann man den Einfluß vernachlässigen.

1/f-Rauschen ist laut einfacher Simulation dabei. )

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2))
Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines
Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers.
Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch
darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.


Kann man in Orcad irgendwie den über die gesamte (simulierte) Bandbreite
integrierten Wert darstellen?

Im Prinzip ja.
Ich habe das immer so gemacht, daß ich im Plot-Fenster den Trace
sqrt(s(v(onoise)*v(onoise)))
dargestellt habe. Da sieht man dann wie die Rauschspannung mit der
Bandbreite ansteigt.

Das kann man auch als Makro definieren.
Trace->Macros
totnoise=sqrt(s(v(onoise)*v(onoise)))

Dann kann man es im Trace->Add Trace "Function or Macros" Menue auswählen.

Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(netzname).

Korrektur:
Neben V(onoise) gibt es noch NTOT(Bauteil), z.B. NTOT(R1).



Die Spitzenwerte der Rauschspannung sind übrigens das +/-3 bis +/-5 fache
des Wertes von Urms.

Gruß
Helmut

Wenn ich mir die Werte von NTOT so anschaue, dann behaupte ich
jetzt einfach mal das ist der Anteil der Rauschspannungsdichte
in V^2/Hz bezogen auf die Gesamtrauschleistungsdichte(V(onoise)^2)
am Ausgang.

so sehe ich das auch.


Ob AC 1V oder 0.1V ist macht keinen Unterschied für V(onoise).

Entschuldigung, da hab ich mich natürlich vertan...



Gruß
Helmut


Du kennst LTSPICE?

LTSPICE ist freies SPICE ohne Begrenzung in der Schaltungsgröße
und natürlich im Stil der Zeit mit graphischem User Interface.
www.linear.com/software

Eine unabhängige Newsgroup dazu gibt es auch.
http://groups.yahoo.com/group/LTspice/

Danke für den Newsgroup-Tip! LTSpice benutze ich zwar nicht (sondern
Orcad),
aber Spice bleibt doch immer wieder Spice.

Vielen Dank für die freundliche und ausführliche Hilfe!

Simone

 

[Simone Winkler]

"Helmut Sennewald" <HelmutSennewald@t-online.de> schrieb

Danke, das alles hat mir SEHR geholfen! *freu*

Eine kurze Frage noch:

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2))
Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines
Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers.
Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch
darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.

Meinst Du mit "auf 1/10 abgefallen" die Verstärkung des OPVs, also quasi die
Kurve mit dem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt oder meine eigene?
Ich habe ja zwecks Rauschunterdrückung Filter eingebaut, d.h. meine
Simulation ergibt praktisch eine Verstärkung nur im Bereich von z.b. 100kHz
bis 1MHz (bzw. für den zweiten Verstärker von 100Hz bis 10kHz). Muß ich dann
soweit integrieren, bis die Simulationskurve auf 1/10 abgefallen ist? (was
mir logischer wäre...)

Das ist alles recht wichtig für mich, weil ich mit einem 18-bit-Wandler und
5V unter -94dB Rauschen kommen muß (*uff*).
Ist das überhaupt irgendwie möglich? (in der Praxis) Ich verwende schon
rauscharme Verstärker, eine differentielle Stufe, usw.

Und in wie weit kann man dem PSpice dann glauben? Wieviel wird praktisch
noch dazukommen?

Vielen Dank,
Simone

 

[Helmut Sennewald]

"Simone Winkler" <simone.winkler@gmx.at> schrieb im Newsbeitrag
news:1087566126.775581@news.liwest.at...

"Helmut Sennewald" <HelmutSennewald@t-online.de> schrieb

Danke, das alles hat mir SEHR geholfen! *freu*

Eine kurze Frage noch:

Die effektive Rauschspannung ist Wurzel(Integral(V(onoise)^2))
Integriert wird von 0 bis Fmax. Fmax ist Banbreite deines
Verstärkers oder die Kleinsignalbandbreite deines A/D Wandlers.
Der kleinere Wert von beiden zählt. Man integriert natürlich noch
darüber hinaus, bis die Verstärkung z.B. auf 1/10 abgefallen ist.

Meinst Du mit "auf 1/10 abgefallen" die Verstärkung des OPVs, also quasi
die
Kurve mit dem Verstärkungs-Bandbreite-Produkt oder meine eigene?

Hallo Simone,
ich meine das Gesamtsystem. Es interessiert nur das, was am A/D-Wandler
ankommt.
Theoretisch muß man ja bis zur Frequenz f=unendlich integrieren.
Ich habe da jetzt einfach mal angenommen, daß das Integral nicht mehr
wesentlich ansteigt selbst wenn man bis unendlich integriert.
Das setzt natürlich voraus, daß dein Filter wirklich null Übertragung
hat bei unendlicher Frequenz.
Nimm den Wert 1/10 nicht so genau. Das habe ich einfach mal so geschätzt.
Integriere halt einfach mal ein paar Dekaden weiter und vergleiche.

Ich habe ja zwecks Rauschunterdrückung Filter eingebaut, d.h. meine
Simulation ergibt praktisch eine Verstärkung nur im Bereich von z.b.
100kHz
bis 1MHz (bzw. für den zweiten Verstärker von 100Hz bis 10kHz). Muß ich
dann
soweit integrieren, bis die Simulationskurve auf 1/10 abgefallen ist? (was
mir logischer wäre...)

Integriere mal bis 1MHz, 10MHz und bis 100MHz und vergleiche wieviel der
Unterschied noch ausmacht. Die Rechenzeit stellt ja kein Problem dar.

Beispiel: RC-Tiefpass fg=10kHz, R=10kOhm, C=1.5nF

Integrationsgrenze Gerechnete Rauschspannung
----------------------------------------------
10kHz (=fg) 1.15uVrms
100kHz (=10fg) 1.6uVrms
1MHz (=100fg) 1.66uVrms

Das ist alles recht wichtig für mich, weil ich mit einem 18-bit-Wandler
und
5V unter -94dB Rauschen kommen muß (*uff*).
Ist das überhaupt irgendwie möglich? (in der Praxis) Ich verwende schon
rauscharme Verstärker, eine differentielle Stufe, usw.

Das Ergebnis hängt sehr stark von der Höhe des Eingangssignals und dem
Wert des Quellen-Widerstands ab.
Man sollte zumindest in der Simulation den Zielwert erreichen, sonst
braucht man schon gar nicht mit dem Aufbau anfangen.
Ob man das Gewünschte in der Praxis ereicht hängt sicher von vielen
Faktoren ab wie Signalstärke, saubere Stromversorgung, PCB-Layout,
Störquellen (Schaltnetzteile in der Nähe) und Störungen von den
Digitalbausteinen.
Natürlich muß die Spec des A/D-Wandlers auch entsprechend gut sein.
Da es zumindest Audio ADCs mit solchen Specs gibt, sollte der A/D-Wandler
nicht das Problem sein.

Und in wie weit kann man dem PSpice dann glauben? Wieviel wird praktisch
noch dazukommen?

Da setzt natürlich voraus, daß die Spice-Modelle auch das Rauschen
simulieren wie im Datenblatt angegeben. Das muß man für jedes OP-Modell
nachprüfen. Die Spice-Modelle simulieren aber z.B. nicht die Power Supply
Störunterdrückung. Folglich kann die Simulation "nur" die Aussage bringen,
daß es machbar wäre, wenn man sonst keine Störungen in das Signal bekommt.

Gruß
Helmut