1/f Rauschen beim OP2177

[Max M. (-sensor-)]

Hallo,

Beim Bau eines Differenzverstärkers musste ich auf den OP2177 
ausweichen, da der Opamp, den ich mir ausgesucht hatte nicht mehr 
lieferbar ist.

Für den OP2177 möchte ich die Rauschspannung für meine Schaltung 
berechen.
Beim Opa2277 den ich eigentlich nehmen wollte gab es eine Abbildung mit 
Strom- und Spannungsrauschdichte mit ausgeprägtem 1/f - und 
Breitbandbereich.
Beim OP2177 gibt es nur die Abbildung TPC17 mit der 
Rauschspannungsdichte. Dort ist kein ausgeprägter 1/f Bereich zu 
erkennen.
Zur Berechnung des Effektivwerts der 1/f Rauschspannung benötige ich 
doch den Effektivwert des Rauschens bei 1Hz. Wie komme ich aus den 
Werten im Datenblatt zu diesem Wert?
Zum 1/f Stromrauschen steht garnichts im Datenblatt gibt es dann keines?

Hier noch der Link zum Datenblatt:
http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/OP1177_2177_4177.pdf

[Max M. (-sensor-)]

Hier noch die Abbildungen des Rauschens der beiden Operationsverstärker 
zum Vergleich

[Ulrich (Gast)]

Wenns zum OP2177 nicht also Infos gibt, sollte es dsa Datenblatt zur 
einfach version (OP177 ) auch tun.
Bei dem Datenblatt (analog dev.) vom OP177 das ich habe, ist auch eine 
Kurve ähnlicher der vom OP2277 drin. Demnach hat der OP177 etwas mehr 
Breitbandrauchen, aber weniger 1/f rauschen. Ganz ohne 1/f rauschen geht 
so ohne weiteres nicht, das gibts nur näherungsweise bei Chopper OPs.

[Kai Klaas (Gast)]

Hallo Max,

>Beim OP2177 gibt es nur die Abbildung TPC17 mit der
>Rauschspannungsdichte. Dort ist kein ausgeprägter 1/f Bereich zu
>erkennen.

Bist du dir da ganz sicher?? Die Kurve geht doch bei niedrigen 
Frequenzen rauf wie eine Rakete...

Dieses Diagramm ist für Aussagen bei 1Hz völlig unbrauchbar! Das sind 
die üblichen Tricks, mit denen gewöhnlich nicht so vorteilhafte 
Eigenschaften kaschiert werden sollen. Wenn für dich wirklich das 
Rauschen bei 1Hz relevant ist, würde ich ganz dringend von diesem Chip 
abraten.

Früher konnte man ja noch Kontakt mit dem Hersteller aufnehmen, der 
einem dann noch genauere Daten geben konnte. Heute wird man in der Regel 
von irgendeinem lächerlichen e-mail Support abgespeist, wo Leute sitzen, 
die auch nur noch in die Datenblätter schauen können und dann noch zu 
dämlich sind, eine gescheite Auskunft zu geben...

Kai Klaas

[Kai Klaas (Gast)]

Hallo Ulrich,

>Wenns zum OP2177 nicht also Infos gibt, sollte es dsa Datenblatt zur
>einfach version (OP177 ) auch tun.

Vorsicht, daß der OP2177 nicht einfach ein doppelter OP177 ist, siehst 
du schon an den erheblich unterschiedlichen Versorgungsströmen: 400µA 
statt 1,6mA. Das kann sich in völlig unterschiedlichem Rauschverhalten 
äußern.

Kai Klaas

[Max M. (-sensor-)]

Hallo Kai,

Kai Klaas schrieb:
> Hallo Max,
>
>>Beim OP2177 gibt es nur die Abbildung TPC17 mit der
>>Rauschspannungsdichte. Dort ist kein ausgeprägter 1/f Bereich zu
>>erkennen.
>
> Bist du dir da ganz sicher?? Die Kurve geht doch bei niedrigen
> Frequenzen rauf wie eine Rakete...
Was ich meinte war das man nicht vernünftig erkennen kann wo der 
1/f-Bereich anfängt.
>
> Dieses Diagramm ist für Aussagen bei 1Hz völlig unbrauchbar! Das sind
> die üblichen Tricks, mit denen gewöhnlich nicht so vorteilhafte
> Eigenschaften kaschiert werden sollen. Wenn für dich wirklich das
> Rauschen bei 1Hz relevant ist, würde ich ganz dringend von diesem Chip
> abraten.
Ich möchte lediglich die Rauschspannung im Bereich von ca. 0,1Hz bis 
2kHz berechnen.
Beim OPA227 habe ich die Formeln im Anhang benutzt um die Rauschspannung 
des 1/f Rauschens zu berechnen. Die Formel stammt aus einem Artikel der 
Zeitschrift Elektronikpraxis:
http://www.elektronikpraxis.vogel.de/fileserver/vogelonline/files/467.pdf 
Seite 3.
Im Tietze-Schenk ist das auch beschrieben:
http://books.google.com/books?id=Px0vPa1cEFQC&pg=RA1-PA551&dq=halbleiter+schaltungstechnik+operationsverst%E4rker+urd&hl=de#v=onepage&q=&f=false
wobei in Formel 5.73 das Breitbandrauschen auch mitberechnet wird oder?

Kann ich für den Op2177 eine vernünftige Aussage für das 1/f Rauschen in 
diesem Bereich treffen?

[Gebhard R. (Firma: Raich Gerätebau & Entwicklung) (geb)]

Der OP2177 ist ein doppelter OP1177. Aus der obigen Abb. läßt sich 
aufgrund des Maßstabs nichts vernünftiges herauslesen. Einzig die Angabe 
über das Rauschen von 0,1-10Hz läßt sich vergleichen. Da liegt der 
OPA2277 etwas besser.
Ich selbst verwende wahlweise beide Typen als Vorverstärker in EEG 
Geräten. Einen großen Unterschied gibt's da nicht wirklich. Man muß ja 
bedenken, daß gerade die Rauschangaben typische Werte darstellen. Ich 
muß oft bis zu 5% der verbauten 2277er tauschen, weil beim Test immer 
wieder der eine oder andere doppelt bis 3x soviel rauscht wie normal. 
Hab da schon vieles probiert (verbleit löten,anderes Temp. Profil,...) 
hat aber eigentlich nichts bewirkt.Muß mich danit wohl abfinden. Hab 
jetzt mal wieder 500Stk. von den OP2177 bestellt, mal sehen, ob das mit 
denen auch so ein Problem gibt.

Grüße

[Kai Klaas (Gast)]

Hallo Max,

>Was ich meinte war das man nicht vernünftig erkennen kann wo der
>1/f-Bereich anfängt.

Sorry, dann habe ich dich falsch verstanden.

>Ich möchte lediglich die Rauschspannung im Bereich von ca. 0,1Hz bis
>2kHz berechnen.

Das ist dann Breitbandrauschen, bei dem das niederfrequente Rauchen kaum 
noch eine Rolle spielt. Das wären rund 8nV/SQRT(Hz) x SQRT(2kHz) = 
358nVeff, entsprechend 2,36µVpp.

Das Rauschen zwischen 0,1Hz und 10Hz beträgt laut Datenblatt nur 
0,4µVpp, macht also nur einen kleinen Teil des Gesamt-Rauschens aus.

Allerdings ist das nur das Spannungsrauschen. Dazu kommt noch das 
Stromrauschen. Wie sieht denn deine OPamp-Schaltung aus?

Kai Klaas

[Max M. (-sensor-)]

Hallo Kai,

im Anhang findest du meine Schaltung. Ich habe für den OPA2277 das 
Rauschen der Verstärkerschaltung berechnet und mit Tina simuliert. Dabei 
bin ich auf fast dasselbe Ergebnis gekommen. Die gesamte Schaltung mit 
Filter habe ich dann auch noch simuliert. Der Anteil des Filters am 
Gesamtrauschen ist aber geringer, da die Verstärkung in der 
Verstärkerschaltung ja wesentlich höher ist.
Leider kann man in Tina keine anderen Spicemodelle einbinden. Man kann 
aber wie im Artikel oben beschrieben "ein eigenes Modell entwickeln". 
Leider fehlen dazu aber die benötigten Daten im Datenblatt des OP2177.
Jetzt habe ich in ltspice die Testschaltung für das Spannungsrauschen 
nachgebaut und bin zum Ergebnis im Anhang gekommen.
Laut diesem Spicemodell müsste der 1/f Bereich ja wesentlich größer sein 
als im Datenblatt. Aber im Zweifelsfall sollte man ja lieber dem 
Datenblatt glauben.
Im Anhang findest du auch meine Tina-Testschaltung. Ich würde gerne in 
ltspice auch das stromrauschen des Spicemodells testen. Wie bekomme ich 
denn die benötigte stromgesteuerte Spannungsquelle in Ltpsice hin?
Wenn ich keine genaueren Daten über das 1/f Rauschen bekomme werde ich 
wohl wie du oben vorgeschlagen hast argumentieren, dass das 1/f-Rauschen 
einen geringen Anteil am gesamtstpannungsrauschen hat.
Über das Stromrauschen weiß man nur den Wert des Breitbandrauschens bei 
1kHz.
Wenn ich hier keine genaueren Daten bekomme werde ich das 1/f 
Stromrauschen wohl nicht berechnen können.

[Helmut S. (helmuts)]

In LTspice kann man das Stromrauschen auf zwei Arten simulieren.

1. Einen so hohen Quellwiderstand mit dem Attribut "noiseless" 
verwenden, dass das Gesamtrauschen des Eingangsstromes dominiert.

Ein hier passender Beispielwert: 100k noiseless


2. Einen Strommesser einbauen. V-Quelle mit 0V plus H-Quelle zum 
Auskoppeln.

Ich habe mal die Simulationen angehängt.


Im flachen Bereich kommt 0.82pA/sqrt(Hz) heraus.

Gruß
Helmut

[Max M. (-sensor-)]

Hallo Helmut,

danke für die Testschaltung :).

warum hast du denn die pulse Spannungsquelle verwendet?

[Helmut S. (helmuts)]

Max Meyer schrieb:
> Hallo Helmut,
>
> danke für die Testschaltung :).
>
> warum hast du denn die pulse Spannungsquelle verwendet?

Weil kurz vorher jemand in der LTspice Yahoo group wissen wollte wie man 
den OP2177 einbindet. Da habe ich dann schnell ein Beispiel mit .TRAN 
Analyse gemacht. Dafür war die Puls-Quelle ideal. Bei .NOISE mit LTspice 
ist es völlig egal was für eine Quelle da dran ist.

http://tech.groups.yahoo.com/group/LTspice/

[Kai Klaas (Gast)]

Hallo Max,

>im Anhang findest du meine Schaltung. Ich habe für den OPA2277 das
>Rauschen der Verstärkerschaltung berechnet und mit Tina simuliert. Dabei
>bin ich auf fast dasselbe Ergebnis gekommen.

Die Schaltung ist leider unvollständig, da nicht zu sehen ist, was am 
Eingang angeschlossen ist. Dies hat aber auf das Rauschen der Schaltung 
einen erheblichen Einfluß! Falls beispielsweise der Eingang "Shunt1_H" 
über eine niedrige Quellimpedanz mit Masse verbunden ist, wird das 
thermische Widerstandsrauschen des dortigen 100k Widerstands durch den 
1k Widerstand kurzgeschlossen. Der Punkt rauscht dann nicht wie ein 100k 
Widerstand, sondern wie die Parallelschaltung eines 1k und eines 100k 
Widerstands, was erheblich weniger Rauschen bedeutet.

Auch für das Stromrauschen des OPamp spielt es eine erhebliche Rolle, ob 
der Rauschstrom dort über einen 100k Widerstand fließt oder über eine 
Parallelschaltung aus 1k und 100k.

Du mußt also noch die Quellimpedanzen von jedem Eingang nach Masse 
angeben und die Impedanz zwischen den Eingängen. Nur dann läßt sich das 
Rauschen der Schaltung überhaupt berechnen.

Im Anhang findest du noch das korrekte Ersatzschaltbild für das Rauschen 
eines OPamp. Um das Gesamtrauschen zu bestimmen, bestimmt du das 
Einzelrauschen jeder Quelle, in dem du nur eine Quelle "anstellst" und 
die anderen aus.

Du kannst beispielsweise zuerst die beiden Ströme auf 0 setzen und für 
die Spannungsquelle 8nV Amplitude, 1kHz Sinus einstellen. Dann schaust 
du mit dem virtuellen Oszi, was am Ausgang herauskommt. Du kannst das 
für verschieden Frequenzen machen, um den Frequzenzgang herauszufinden, 
der hier natürlich geradlinig ist, aber nicht für dein Tiefpaßfilter.

Dann mulitplizierst du einfach die Ausgangsspannung mit der Wurzel aus 
der Bandbreite (zwischen den -3dB Grenzen).

Auf diese Weise bestimmst du das Einzelrauschen jeder Quelle. Das 
Gesamtrauschen ist dann die geometrische Summe der 
Einzelrauschspannungen.

Das thermische Widerstandsrauschen kannst du auch simulieren, indem du 
eine Spannungsquelle in Serie zum Widerstand einsetzt.

> Wenn ich keine genaueren Daten über das 1/f Rauschen bekomme werde ich
>wohl wie du oben vorgeschlagen hast argumentieren, dass das 1/f-Rauschen
>einen geringen Anteil am gesamtstpannungsrauschen hat.

Wenn du, so wie hier, überhaupt keine Fakten hast, kannst du nicht 
"argumentieren", sondern höchstens "phantasieren". Du könntest eventuell 
die "Vermutung" formulieren, daß sich das Rauschen des OP2177 nicht 
allzusehr von dem des OP2277 unterschiedet. Dann rechnest du einfach mit 
den Werten des OP2277. Du mußt das aber natürlich ausdrücklich erwähnen 
und begründen, warum die Rauschwerte wahrscheinlich ähnlich sind (-> 
Nachfrage beim Hersteller!).

Für die konkrete Rechnung machst du am besten eine Abschätzung, in dem 
du für einzelne Frequenzbereiche Maximalwerte annimmst. Also, 
beispeilsweise ein Bereich zwischen 0,1Hz und 1Hz, 1Hz und 10Hz, 10Hz 
und 100Hz und einen darüber. Dann kannst du dir die logarithmische 
Integriererei ersparen.

Kai Klaas

[Didlmaus (Gast)]

@ Autor: Helmut S. (helmuts)

>In LTspice kann man das Stromrauschen auf zwei Arten simulieren.
>1. Einen so hohen Quellwiderstand mit dem Attribut "noiseless"
>verwenden, dass das Gesamtrauschen des Eingangsstromes dominiert.
>Ein hier passender Beispielwert: 100k noiseless

Ich hätte da mal eine Zwischenfrage:
Wie funktioniert das mit dem Attribut "noiseless"?
Oder ist das nur ein Kommentar?

[Helmut S. (helmuts)]

Didlmaus schrieb:
> @ Autor: Helmut S. (helmuts)
>
>>In LTspice kann man das Stromrauschen auf zwei Arten simulieren.
>>1. Einen so hohen Quellwiderstand mit dem Attribut "noiseless"
>>verwenden, dass das Gesamtrauschen des Eingangsstromes dominiert.
>>Ein hier passender Beispielwert: 100k noiseless
>
> Ich hätte da mal eine Zwischenfrage:
> Wie funktioniert das mit dem Attribut "noiseless"?
> Oder ist das nur ein Kommentar?

Statt dem Wert
100k
schreibst du
100k noiseless

Alternative: Ctrl plus rechte Maustaste auf das Bauteil im Schaltplan.
Dann öffnet sich ein Dialog mit allen Attributen.
Das nosieless kannst du dann in jede Zeile unterhalb der Zeile mit 1k 
schreiben. Natürlich könntest du es auch hinter 1k schreiben. OK

Gruß
Helmut

[Didlmaus (Gast)]

@ Helmut S. (helmuts)

Danke für die nette Antwort.

Ich bin mir leider immer noch nicht ganz sicher ob das Attribut 
"noiseless" in der Simulation etwas bewirkt, oder nur ein Kommentar ist. 
:-)

[Helmut S. (helmuts)]

Didlmaus schrieb:
> @ Helmut S. (helmuts)
>
> Danke für die nette Antwort.
>
> Ich bin mir leider immer noch nicht ganz sicher ob das Attribut
> "noiseless" in der Simulation etwas bewirkt, oder nur ein Kommentar ist.
> :-)


Hallo,

das ist kein Kommentar sondern das bewirkt, dass dieser Widerstand keine 
Rauschspannung erzeugt. Am besten du machst eine kleine Testschaltung 
einmal mit und einmal ohne ohne noiseless. Jeweils mit .NOISE 
simulieren. Da muss ein Unterschied herauskommen.