Dieser Artikel beschäftigt sich mit dem Messen niederfrequenten Rauschens mit extrem niedrigen Grenzfrequenzen von z.B. 10 µHz und veranschaulicht die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf die Ergebnisse der Rauschmessung.

In den meisten Datenblättern ist niederfrequentes Rauschen in einem Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz angegeben. Im Teil 6 dieser Artikelreihe wurde eine aktive Filterschaltung zum Messen dieses Rauschens behandelt. Messungen extrem niedriger Frequenzen machen die AC-Kopplung des Signals unmöglich, da die Werte der Komponenten außerhalb nutzbarer Bereiche liegen. Bild 3.1 zeigt eine Schaltung mit DC-Kopplung, die zur Messung des niederfrequenten Rauschens verwendet werden kann. Je nach Rauschpegel des zu testenden Verstärkers muss die Verstärkung angepasst werden.

Das Rauschen wird auf einen Pegel verstärkt, der ohne Weiteres auf einem Oszilloskop abgelesen werden kann. Die Verstärkung der ersten Stufe sollte mindestens 10 betragen. Dadurch dominiert das Rauschen der ersten Stufe. Ein Problem dieser Schaltung besteht darin, dass auch der Offset des Verstärkers verstärkt wird. In diesem Beispiel wird der Offset auf 2 V DC verstärkt. Dadurch wird die Messung des Rauschens im betreffenden Bereich unmöglich. Mit der in Bild 3.3 dargestellten Schaltung kann dieser Offset korrigiert werden.

Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Messung des niederfrequenten Rauschens besteht darin, dass die temperaturabhängige Drift des Offsets sehr stark dem 1/f Rauschen ähnelt und daher die Messergebnisse beeinträchtigen kann. Bild 3.4 zeigt das Rauschen und die Offsetdrift des OPA336 in einem Zeitraum von 10.000 s. Während dieser Messung änderte sich die Umgebungstemperatur im Labor um 2 °C. Diese geringe Schwankung der Raumtemperatur hatte einen erheblichen Einfluss auf das Ausgangssignal. Um dem entgegenzuwirken muß die gleiche Messung mit einer Präzisen Temperaturregelung, wie durch Verwendung einer Wärmekammer, durchgeführt werden.

Bei Zero-Drift-Verstärkern tritt temperaturabhängige Offset-Drift in erheblich geringerem Umfang auf. Bild 3.5 zeigt Rauschmessungen, die ohne Temperaturregelung durchgeführt wurden, die Umgebungstemperatur im Labor änderte sich wieder um 2 °C, dies ist im Messergebnis nicht zu erkennen. Die äußerst geringe Temperaturdrift des Zero-Drift-Verstärkers ist einer der Hauptvorteile dieser Technologie.

 

 

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt bei der Rauschmessung ist, dass der Effektivwert des Rauschens und nicht der Spitze-Spitze-Wert des Rauschens gemessen wird. Dieser ist zwar eine gute Näherung, reicht aber für exakte Ergebnisse nicht aus. Das Problem ist, dass die Anzahl der Abtastwerte einen großen Einfluss auf den Spitze-Spitze-Messwert haben kann. Es sei daran erinnert, dass sich der Spitze-Spitze-Wert abschätzen lässt, indem die Standardabweichung mit 6 multipliziert wird. Mathematisch bedeutet dies, dass 99,7 Prozent der Werte innerhalb des Spitze-Spitze-Wertes liegen und nur 0,3 Prozent des Rauschens außerhalb dieses Bereiches. Bei Erhöhung der Anzahl von Abtastungen erhöht sich auch die Anzahl von Fällen, in denen der Wert außerhalb der Sechs-Sigma-Abschätzung liegt. In Bild 3.6 ist dasselbe Signal dargestellt, das bei 25.000 und 2.500 Abtastungen mit einem Digitaloszilloskop aufgenommen wurde. Im Teil 1 dieser Artikelserie wurde dieses Thema näher erläutert.

 

Abschließend soll im Zusammenhang mit der Messung des Rausch-Effektivwertes darauf hingewiesen werden, dass der Gleichstromanteil (d. h. Mittelwert = 0) nicht in die Rauschmessung einbezogen wird. Der einfachste Weg zur Beseitigung des Mittelwertes besteht darin, die Standardabweichung des Signals anstelle des Effektivwerts zu ermitteln. Die Standardabweichung ist mathematisch definiert als Effektivwert mit dem Mittelwert null. Die meisten Digitaloszilloskope können die Messergebnisse als Kalkulationstabelle speichern. Dort können  dann Formeln zur Berechnung der Standardabweichung verwendet werden. Manche Digitaloszilloskope enthalten einen mathematischen Operator zur Ermittlung des Effektivwertes.