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15. Rausch-Analyse

Die zu untersuchende Schaltung
Das Simulationsprofil für die Rausch-Analyse
Graphische Anzeige in Probe
Rausch-Minimierung

Im Zusammenhang mit der AC-Sweep-Analyse (Analyse des Frequenz- und Phasengangs) können Sie mit einer Rausch-Analyse (Noise Analysis) das Rauschverhalten Ihrer Schaltung untersuchen. Dabei können Sie neben dem Gesamtrauschen auch feststellen, welchen Beitrag welche Bauteile (Widerstände und Halbleiter) zum Gesamtrauchen leisten. Leider kann das Rauschen nur linear ermittelt werden. Deshalb kann das nichtlineare Rauschen von Mischern nicht untersucht werden.

Die zu untersuchende Schaltung

Bei der folgenden, zweistufigen Mikrofonverstärkerschaltung ist im Zuge einer AC-Sweep-Analyse das Rauschverhalten zu untersuchen. Die AC-Quelle Vein liefert die Eingangsspannung. Am Widerstand R7 fällt die Ausgangsspannung ab.


Dieser NF-Vorverstärker soll auf sein Rauschverhalten untersucht werden (die vorbereitete Schaltung ist unter noise oder noise.zip zu finden).

Das Simulationsprofil für die Rausch-Analyse

Neben den Einträgen zum AC-Sweep enthält das Simulationsprofil noch zusätzliche Angaben zur Rausch-Analyse:


Das Simulationsprofil enthält neben dem AC-Sweep zusätzliche Angaben zur Rausch-Analyse, welche hier rot markiert sind.

Um die Rausch-Analyse zu aktivieren, müssen Sie ein Häkchen vor "Enabled" setzen. Die anderen Angaben haben folgende Bedeutung:

Output Voltage: Das ist die Variable, für die das Rauschen berechnet werden soll. In unserem Beispiel ist es mit dem Eintrag V(aus) die Spannung am Knoten "aus", denn wir interessieren uns für das Rauschen am Ausgang der Schaltung, welches am Widerstand R7 vorliegt.

I/O: Hier müssen Sie auf jeden Fall eine unabhängige Quelle der Schaltung eintragen, damit PSpice bezogen auf diese Quelle das äquivalente Eingangsrauschen (Input Noise, V(INOISE)) berechnen kann. Unter dem äquivalenten Eingangsrauschen versteht man dasjenige Rauschen, welches die besagte Quelle abgeben müsste, um bei einer rauschfreien Schaltung das gleiche Rauschen zu bewirken, welches bei einer Schaltung mit Rauschen auftreten würde. In unserem Beispiel tragen wir Vein für die Eingangsquelle (VAC) ein.

Anmerkung: Sollte sich die Quelle in einer tieferen Ebene einer hierarchisch aufgebauten Schaltung befinden, müssen Sie den Namen des hierarchischen Blocks mit einem Punkt trennen. Falls sich beispielsweise die Quelle Vein im hierarchischen Block HB2 befinden sollte, müssen Sie die Bezeichnung "HB2.Vein" eintragen.

Interval: Der Eintrag an dieser Stelle hat nur Bedeutung für die Output-Datei. Dieses Feld darf auch leer stehen bleiben. Die Zahl, die Sie hier eintragen können, bestimmt den Frequenz-Abstand, mit welchem zusätzliche Angaben in die Output-Datei geschrieben werden. Da wir in unserem Beispiel 11 Punkte / Dekade gewählt haben und unter "Interval" ein 11 eingetragen haben, findet sich für jede Dekade ein Eintrag in der Output-Datei, welcher Auskunft darüber gibt, welchen Beitrag die einzelnen Bauteile bei der gegebenen Frequenz liefern.

Graphische Anzeige in Probe

Um die spektrale Rauschverteilung in Probe sichtbar machen zu können, müssen Sie im Add-Traces-Fenster noch die Variable V(ONOISE) auswählen. Diese Variable bildet die Rauschspannung in Abhängigkeit von der Frequenz ab, und zwar an der Stelle, welche wir unter "Output Voltage" definiert haben. In unserem Falle ist also am Knoten "out".


Ausschnitt aus dem Add-Traces-Fenster: Hier wählen Sie V(ONOISE) aus. Vorher müssen Sie eventuell noch vor "Noise (V2/Hz)" ein Häkchen setzen. Das Add-Traces-Fenster können Sie mit der Einfg-Taste aufrufen, wenn das Probe-Fenster aktiv ist.

Im Probe-Fenster können Sie nach Ausführung der Simulation das folgende Ergebnis sehen, wenn Sie sich zum Vergleich neben der Rauschanalyse noch den Frequenzgang anzeigen lassen. Da die Rauschspannung sehr klein im Verhältnis zur Ausgangspannung ist, müssen Sie mit verschiedenen Y-Achsen arbeiten:


Die Ergebnisse in Probe: Rauschspannung an R7 (rot), Frequenzgang (grün), Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und Rauschspannung in dB (blau). Dieser rein rechnerische Wert ist nicht mit dem Signal-Rausch-Abstand zu verwechseln.

Rausch-Minimierung

Um das Rauschen einer Schaltung minimieren zu können, müssen Sie in Erfahrung bringen können, welche Bauteile welchen Beitrag zum Gesamtrauschen liefern. Das anteilige Rauchen der Bauteile (Widerstände und Halbleiter) finden Sie im Add-Traces-Fenster als Variablen, deren Bezeichnungen mit NTOT eingeleitet werden. Im nachfolgenden Diagramm sind die Rauschanteile der einzelnen Bauteile dargestellt:


Die Rauschanteile der einzelnen Widerstände und Halbleiter. NTOT(ONOISE) ist der Effektivwert des Gesamtrauschens.

Die Auswertung des Diagramms zeigt ohne Überraschung, dass der Widerstand R3, der Innenwiderstand Ri der Quelle und der Transistor Q1 den Haupteil am Rauschen tragen.

Weitere Hinweise zur Rausch-Analyse finden Sie im PSpice User´s Guide (pspug.pdf oder pdf ) Seite 351 bis 356.

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