11 mýtů o šumu a jeho analýze. Naletěli jste i vy?

V oblasti návrhu analogových systémů se budeme s otázkou šumu (rušení) potkávat na každém kroku. Přímo totiž ovlivňuje, „jak moc“ informací dokážeme z daného měření vytěžit a rovněž za jakou cenu. S touto otázkou se však pojí řada nejasností a také mylných informací, které pak v našich návrzích vedou k horším výsledkům, zdlouhavému a opakovanému vývoji a také neefektivnímu nakládání s dostupnými prostředky. Ve společnosti Analog Devices si proto dali tu práci a nejčastější polopravdy okomentovali v dokumentu 11 Myths About Analog Noise Analysis. V redakci jsme pro ilustraci vybrali příklady číslo 1 a 8.

Tak tedy, zlepšíme si pokaždé šumové vlastnosti prostým snížením velikosti odporu? Ze vztahu, kdy se pod odmocninou objevuje součin 4kTRB, to k takovému závěru skutečně svádí a v řadě případů to bude opravdu platit. Ale ne pokaždé. Rostoucí velikost odporu totiž může šumové vlastnosti dokonce zlepšovat.

Tak např. proud většinou měříme přes úbytek napětí na rezistoru, který mu stavíme do cesty. Takové napětí pak bude podle Ohmova zákona přímo úměrné velikosti odporu, zatímco Johnsonův šum rezistoru z výchozího vztahu jen jeho druhé odmocnině. Z tohoto důvodu v tomto případě každým zdvojnásobením velikosti odporu zlepšujeme odstup signálu vůči šumu o celé 3 dB. Takový trend pak pokračuje až do okamžiku, kdy již máme napětí buď příliš vysoké, nebo dostáváme rozumně „neuchladitelnou“ ztrátu.

A co třeba zesilovač s nejnižším napěťovým šumem – bude opravdu tou nejlepší volbou? Ještě jedno zamyšlení, tentokrát s číslem osm a operačními zesilovači. Právě u nich vývojáři často zvažují pouze napěťový šum, ale počítat zde musíme i s tím proudovým.

Proudový šum zde obvykle vystupuje jako výstřelový šum vstupního klidového proudu a napětím se stává díky odporu zdroje. Máme-li tedy před vstupem zesilovače rezistor s velkým odporem, může být proudový šum větším zdrojem rušení než přírůstek v podobě šumu napěťového – navzdory zdánlivému nepoměru v jednotkách nV a pA. Typicky se jedná o zapojení nízkošumového operačního zesilovače s velkým odporem zapojeným v sérii se vstupem. Svá tvrzení dále autor dokládá názorným příkladem (ADA4898-1, viz také ilustrační obr. z datasheetu) a přidává i možná řešení. Více v dokumentu ke stažení.

(robenek) @dps-az.cz