ОЦЕНКА УРОВНЯ ШУМА ГЕНЕРАТОРА …...2 +v n 2(f cv ln f h f l + Δf) ⎛...

Радиоэлектроника – медицине

128   Вопросы радиоэлектроники, 2/2018

Для цитирования: Баширов А. С., Соловьев В. Ю., Баловнев Д. А., Красовский В. Е. Оценка уровня шума генератора сигналов сверхмалого напряжения // Вопросы радиоэлектроники. 2018. № 2. С. 128–135.

УДК 621.3.011.72

А. С. Баширов1, В. Ю. Соловьев1, Д. А. Баловнев1, В. Е. Красовский1

1 ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука»

ОЦЕНКА УРОВНЯ ШУМА ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ СВЕРХМАЛОГО НАПРЯЖЕНИЯОдним из важнейших параметров имитатора электрической активности головного мозга человека является ниж-няя граница его динамического диапазона. Так, для имитации вызванных потенциалов амплитуда сигнала долж-на быть в диапазоне 1–5 мкВ. Минимальная амплитуда сигнала, которую может выдать генератор сверхмалых напряжений, ограничена уровнем его шума. В данной работе проведена оценка уровня шума электронной схемы подобного генератора. Внутренний шум схемы в области малых частот (0,1–30 Гц) имеет величину около 3,5 мкВ «пик-пик», что подтверждается экспериментально. Основным источником шумов генератора сверхмалого на-пряжения является 1/f шум ЦАП, который зависит от качества изготовления кристалла. Достигнутый уровень шума позволяет осуществлять имитацию электрической активности головного мозга человека сигналом ампли-тудой 11 мкВ при соотношении сигнал/шум 10 дБ.

Ключевые слова: шум, генератор, операционный усилитель, инструментальный усилитель, фликкер-шум, шум 1/f, сверхмалое напряжение.

ВведениеОдним  из  важнейших  параметров  имитатора 

электрической  активности  головного  мозга  чело-века  [1]  является  нижняя  граница  его  динамиче-ского  диапазона,  т. е.  минимально  возможная  ам-плитуда  сигнала,  которую  он  способен  выдавать. Для  имитации  электроэнцефалограммы  (ЭЭГ)  ам-плитуда  должна  быть  диапазона  10–50  мкВ,  для имитации вызванных потенциалов –  1–5 мкВ.

При анализе шумов обычно разделяют внешние и внутренние источники шума. Анализ внешних ис-точников  шума  (наводки  внешних  электромагнит-ных  полей,  линий  электропитания  и  т. д.)  выходит за рамки данной работы.

Внутренний  шум  схемы  состоит  из  нескольких компонентов:

1.  Тепловой шум резисторов (шум Джонсона).2.  Внутренний шум активных элементов:

•  приведенное к входу шумовое напряжение;•  приведенный к входу шумовой ток;•  шум 1/f (фликкер-шум, розовый шум);•  попкорн-шум  (скачкообразные  изменения 

сигнала низкой частоты).

На практике имеет смысл рассматривать только доминирующие  шумы.  По  этой  причине  попкорн-шум в данной работе не анализируется. Анализ шу-мов схемы ограничен полосой частот ЭЭГ 0,1–30 Гц.

Схема генератораОбщий  принцип  работы  генератора  сигна-

лов  на  основе  источника  тока,  управляемого 

напряжением (ИТУН), описан в [1]. В данной работе исследуется подобный генератор, принципиальная схема одного из каналов которого (Канал 1) пока-зана  на  рис.  1.  Схема  второго  канала  (Канала  2) идентична схеме первого.

Формула  напряжения  на  выходе  генератора (дифференциальный сигнал)

  U out = 2U ref 2D 216 −1( )Rload

6 ⋅103 Rg +1( )Rfb

,

где D–  число (от 0 до 65535), записанное в выход-ные регистры цифро-аналогового преобразователя (ЦАП);  Uref –   опорное  напряжение;  выходной  диа-пазон  напряжений  и  выходное  сопротивление  за-дается резисторами Rfbи Rload, а также источником опорного  напряжения  (ИОН);  Rg –   резистор,  зада-ющий  коэффициент  усиления  инструментального усилителя.

В  работе  анализируется  схема,  настроенная на  рабочий  диапазон  ±170  мкВ  (при  D =  65535) с  выходным  сопротивлением  Rload  =  20  кОм  (дан-ная величина соответствует уровню выходного со-противления  тела  человека  при  регистрации  ЭЭГ мокрыми электродами), Uref = 2,048 В, Rfb = 47 Мом, Rg = 665 Ом. В данной конфигурации минимально возможная  амплитуда  дифференциального  сиг-нала  (при  D =  32767+10,  что  соответствует  раз-решению  по  амплитуде  в  10  ступеней)  равняется ~51,9 нВ. Шум схемы существенно превышает эту величину.

www.instel.ru 129


Источники шумаТепловой шум резисторовВсе резисторы схемы являются источниками те-

плового шума, напряжение которого определяется по формуле Найквиста

  U nR = 4kTΔFR,

где  k –   постоянная  Больцмана  (1,38 ⋅ 10–23  Дж/К); T –   температура,  градусы  Кельвина;  ΔF  –   полоса частот, Гц; R–  сопротивление, Ом.

В  табл.  1  приводятся  значения  спектральной плотности  шумового  напряжения  для  всех  имею-щихся в схеме резисторов при Т= 300 К.

Внутренние шумы операционного усилителяВ  работе  используется  шумовая  модель  опе-

рационного  усилителя  (ОУ),  в  которой  реальный усилитель  замещается  эквивалентной  схемой, 

представляющей  собой  идеальный  ОУ,  на  входах которого  присутствуют  источники  шумового  тока и  напряжения  [2].  Токовый  шум  преобразуется в  шум  напряжения  при  прохождении  через  рези-сторы (рис. 2).

Среднеквадратичное  значение  полного  шумо-вого напряжения ОУ, приведенное к входу, опреде-ляется формулой [3]

  U nTOTAL = ΔF

Vn2 + 4kTR3 + 4kTR1

R2

R1 + R2

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

2

+

+In+2 R3

2 + In−2 R1R2

R1 + R2

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

2

+

+4kTR2R2

R1 + R2

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

2

.

ФНЧ 2-го порядка (Саллена – Ки)fсреза = 150 Гц

ФНЧ 2-го порядка (Саллена – Ки)fсреза = 150 Гц

Переходк биполярному сигналу

Источник тока,управляемый напряжением

AD5689

Канал 1

ЦАП 16 бит 1 кГц

Канал 2

Uref

AD8429

1/4AD8244

1/4AD8244

750 кОм

750 кОм

750 кОм 750 кОм

+5,0 В +2,048 В +1,024 В

+2,048 В +1,024 В

+2,048 В

–2,048 В

+2,048 В

+2,048 В00

0

0

+12 В

–12 В

+12 В

–12 В

+12 В

–12 В

+12 В

–12 В

+12 В

–12 В

1/2AD8599

1/2AD8599

2 нФ

2 нФ

1 нФ

1 нФ

10 кОм

10 кОм

10 кОм

47 нФ

+100 мкВ

–100 мкВ

Uout

Rg

Rfb

Rload

Vref

Рисунок 1. Принципиальная схема генератора сигналов сверхмалого напряжения



Поскольку  источники  шума  являются  случай-ными  и/или  имеющими  гауссово  распределение, суммарный  шум  некоррелированных  источников равняется квадратному корню из суммы квадратов составляющих.

Шумы инструментального усилителя (ИУ) также рассчитываются  на  основе  анализа  его  эквива-лентной схемы шумов. Методика подробно описана в [2–4].

Помимо усилителей в схеме генератора (рис. 1) присутствуют  ЦАП  и  ИОН,  внутренние  источники шума которых также необходимо учитывать.

Фликкер-шумШум активных элементов (ЦАП, ИОН, ОУ и ИУ) 

в  широком  диапазоне  частот  является  гауссовым с  постоянной  спектральной  плотностью.  Однако в  области  низких  частот  спектральная  плотность начинает  нарастать,  причем  темп  нарастания  за-висит  от  технологии  производства  кристалла  ин-тегральной  схемы.  Эта  низкочастотная  шумовая характеристика называется фликкер-шумом, розо-вым  шумом,  или  шумом  1/f  (поскольку  спектраль-ная плотность мощности шума имеет зависимость, обратную  частоте).  Показателем  качества  ОУ  яв-ляется частота излома FC, при которой экстраполи-рованная  линия  спектральной  плотности  с  накло-ном –3 дБ на октаву пересекает линию постоянной широкополосной  спектральной  плотности  белого шума [5]. В табл. 2 перечислены шумовые параме-тры используемых микросхем [6–10].

Среднеквадратичное значение напряжения шума UnRMS активного элемента и спектральная плотность Vn  его  внутреннего  шума  в  области  низких  частот (где помимо белого шума присутствует шум 1/f) свя-заны между собой упрощенной формулой [2]

  U nRMS(FL ,FH)=Vn FC lnFH

FL

+ (FH −FL ),   (1)

Таблица 1. Спектральная плотность шумового напряжения резисторов схемы

РезисторысхемыСопротивление,

ОмСпектральная

плотность,нВ/√Гц

Rfb–резисторобратнойсвязиИТУН 47⋅106 882,22

Резисторывблокахфильтровнизкихчастот(ФНЧ) 750⋅103 111,45

Rload–резистор,задающийвыходноесопротивлениеИТУН 20⋅103 18,20

РезисторывцепяхобратнойсвязиблоковсмещенияиИТУН 10⋅103 12,87

Rg–резистор,задающийкоэффициентусиления 665 3,32

Таблица 2. Шумовые параметры микросхем, указанные производителем

Шумнапряжения Токовыйшум

Микросхемы«Пик‑пик»,

мкВ(0,01–10Гц)

Спектральнаяплотность,

нВ/√Гц

ЧастотаизломаFCV,Гц

«Пик‑пик»,пА

(0,01–10Гц)

Спектральнаяплотность,

фА/√Гц

ЧастотаизломаFCI,Гц

AD5689 6,0000 300,00 2,00 – – –

ADR4500 1,0000 35,80 3,00 – – –

AD8244 0,4000 13,00 9,00 0,008 0,80 –

AD8599 0,0760 1,15 10,00 – 2300,00 30,00

AD8429 1,9000 1,00 40,00 100,00 1500,00 100,00

А

B R1

R2

VnR2

Vn

In–

In+

VnR1

VnR3

Unout

R3

Рисунок 2. Эквивалентная схема операционного усилителя с источниками шума: VnR1, VnR2, VnR3 – спектральные плотности шумового напряжения резисторов R1, R2, R3 соответственно; In–, In+ – спектральные плотности токовых шумов; Vn – спектральная плотность приведенного к входу шумового напряжения ОУ; Unout – среднеквадратичное значение шумового напряжения на выходе

www.instel.ru 131


где FС –  частота излома, FL и FH –  нижняя и верхняя граничные частоты.

Величину  шумового  напряжения  «пик-пик» можно  получить,  умножив  среднеквадратичное значение на коэффициент 6,6, при котором вероят-ность превышения полученного значения амплиту-дой шума равна 0,1% [2].

Расчет уровня шумов схемы генератораНа рис. 3 изображена шумовая модель схемы ге-

нератора. Для удобства схема разделена на блоки, и шум, приведенный к выходу предыдущего блока, учитывается  в  числе  входных  шумов  следующего блока.  Шум  ИОН  (микросхема  ADR4500)  присут-ствует в двух блоках (ЦАП и БС).

Блок  ЦАП.  В  нем  присутствуют  два  источника шума –  собственный шум ЦАП и шум ИОН. Их спек-тральные  плотности  (VnDAC  и  Vnref  соответственно) известны  из  документации  на  микросхемы.  Спек-тральную  плотность  шумового  напряжения  на  вы-ходе блока можно определить с помощью формулы

  VnDACout = Vnref2 +VnDAC

2 .    (2)

Подставив  в  формулу  (2)  значения  параметров из табл. 2, получим VnDACout = 302,1 нВ/√Гц. Однако необходимо  учитывать,  что  частоты  излома  FC у ЦАП и ИОН различаются, что приводит к неодно-значности  при  вычислении  среднеквадратичного значения.  Допустимой  аппроксимацией  будет  вы-бор частоты излома того элемента, у которого она больше (в данном случае это ИОН). Тогда средне-квадратичное значение напряжения полного шума блока ЦАП+ИОН UnRMS = 2,0713 мкВ.

Для  уточнения  посчитаем  среднеквадратичные значения  шумов  для  ЦАП  и  ИОН  отдельно  –   со-гласно формуле (1) в области 0,1–30 Гц они равны 2056,94  и  230,09  нВ  соответственно.  Квадратный корень от суммы квадратов равен 2,0698 мкВ. Как видно, ошибка составляет менее 2 нВ.

Блок –  ФНЧ1. Шумовая модель блока представ-лена на рис. 4. Поскольку ОУ включен как буфер, его коэффициент усиления G = 1.

Среднеквадратичная величина шума на выходе блока вычисляется по формуле

U nLPF1 =

U nDACout2 +ΔF 2VnR

2 +Vn2(FCV ln

FH

FL

+ΔF )+

+ In(R1+R2)( )2 (FCI lnFH

FL

+ΔF ),

 (3)

где 2VnR–  спектральная плотность теплового шума резисторов (R1 = R2); ΔF = FH – FL –  полоса частот; UnDACout –   среднеквадратичное  значение  шума на  выходе  предыдущего  блока;  FCV  –   частота  из-лома шумового напряжения; FCI –   частота излома токового шума.

Значение последнего параметра неизвестно, од-нако можно предположить, что оно приблизительно равно  частоте  излома  шума  напряжения.  Данная аппроксимация допустима, поскольку токовый шум AD8244  мал  (0,8  фА/√Гц),  и  спектральная  плот-ность  шумового  напряжения,  которое  возникает на резисторах, имеет значение 1,2 нВ/√Гц, что вно-сит пренебрежительно малый вклад в общий шум схемы.  Для  полосы  0,1–30  Гц  среднеквадратич-ная  величина  напряжения  выходного  шума  равна UnLPF1 = 2,2472 мкВ.

Vnout

VnLPF2

VnLPF1

VnDAC

Vnref

D

VnBIAS

ИОН

ЦАП ФНЧ1 ФНЧ2

БС ИТУН

UnDACout

UnLPF1

VnR1

VnR2

R1

R2 V

n

In

G = 1750 кОм 750 кОм

AD8244

Рисунок 3. Шумовая модель схемы генератора

Рисунок 4. Шумовая модель ФНЧ1 на выходе ЦАП



Блок смещения ( БС). Шумовая модель БС, пре-образующего  однополярный  сигнал  ЦАП  в  бипо-лярный, показана на рис. 5. Коэффициент усиления G = 2 и задается резисторами R1 и R2.

Формула  среднеквадратичной  величины  шумо-вого напряжения, приведенного к выходу,

U nBIAS =

(U nref2 +ΔFVnR1

2)R2

R1

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

2

+ΔFVnR22 +

+R1 + R2

R1

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

2

U nLPF12 +Vn

2(FCV lnFH

FL

+ΔF )⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟+

+In-2R2

2 FCI lnFH

FL

+ΔF⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟.

 (4)

Согласно формуле (4), UnBIAS = 4,5015 мкВ.Блок  ФНЧ2.  Схема  ФНЧ2  идентична  схеме 

ФНЧ1, шумовая модель блока показана на рис. 6.

Среднеквадратичное значение шумового напря-жения на выходе

U nLPF2 =

U nBIAS2 +ΔF 2VnR

2 +Vn2 FCV ln

FH

FL

+ΔF⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟+

+ In(R1+R2)( )2 FCI lnFH

FL

+ΔF⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟.

  (5)

Для  полосы  0,1–30  Гц  согласно  формуле  (5) UnLPF2 = 4,5858 мкВ.

Блок ИТУН. При анализе последнего блока (ис-точника  тока,  управляемого  напряжением)  удобно сначала  рассматривать  шумовую  модель  ИУ (рис. 7). Методика анализа шума ИУ несколько от-личается и описана в  [2, 10]. Коэффициент усиле-ния G= 10,245 и задается резистором Rg.

Спектральная  плотность  напряжения  внутрен-него шума ИУ, приведенного к входу,

  VnIA =VnO

G

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

2

+VnuI2 +VnRg

2 ,   (6)

где VnRg –  спектральная плотность теплового шума резистора Rg; VnuI и VnO –   спектральные плотности шумового напряжения ИУ на входе и выходе соот-ветственно. Величины взяты из табл. 1, 2.

Согласно формуле (6), VnIA = 5,68 нВ/√Гц.Спектральная  плотность  внутреннего  токового 

шума ИУ, приведенного к входу,

  VnI = In-

R1/2R2

R1/2 + R2

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

2

+ (In+R1/2)2 .   (7)

UnBIAS

UnLPF1

B

A

Unref

VnR1

VnR2

R1

R2

Vn

In–

G = 2

10 кОм

10 кОм

AD8599

A

B

UnoutIA

VnO

Vnul

VnRg

R1/2

R1/2

R2

Rg

In+

In–

G = 10,24520 кОм

23,5 МОм

23,5 МОм

665 Ом

AD8429

UnBIAS

UnLPF2

VnR1

VnR2

R1

R2 V

n

In

G = 1750 кОм 750 кОм

AD8244

Рисунок 5. Шумовая модель блока смещения

Рисунок 7. Шумовая модель инструментального усилителя

Рисунок 6. Шумовая модель ФНЧ2 на входе источника тока, управляемого напряжением

www.instel.ru 133


Согласно формуле (7), VnI = 35,28 нВ/√Гц.Среднеквадратичное  значение  полного  шумо-

вого напряжения ИУ, приведенного к выходу,

U noutIA =G 2 VnIA

2(FCV lnFH

FL

+ΔF )+VnI2 FCI ln

FH

FL

+ΔF⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟+

⎡

⎣⎢

+(VnRfb2 +VnRload

2)(ΔF )⎤⎦.

 (8)

где VnRfb и VnRload –  спектральные плотности тепло-вого шума резисторов обратной связи и нагрузки.

Подставив в (8) данные из (6), (7) и табл. 1, 2, по-лучим UnoutIA = 69,5 мкВ.

Полный шум на выходе схемы будет равен шуму на  выходе  ОУ  в  ИТУН.  Шумовая  модель  изобра-жена на рис. 8. Коэффициент усиления ОУ меньше единицы (G = 0,0976), поскольку в его цепи обрат-ной связи присутствует ИУ.

Среднеквадратичное значение шумового напря-жения на выходе

  U nout =

U noutIA2 +VnR

2ΔF +

+G 2 U nLPF22 +Vn

2 FCV lnFH

FL

+ΔF⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥+

+In-2R2 FCI ln

FH

FL

+ΔF⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟.

  (9)

Подставив в (9) результаты, полученные в (5) и (8), получим  итоговую  величину  среднеквадратичного значения шума одного канала Unout = 0,5242 мкВ. Для дифференциального сигнала от двух каналов вели-чина шума «пик-пик» определяется выражением

  U nDiffP-P = 6,6 2×0,52422 = 5,059 ÏÍÇ.

Результаты экспериментаДля  оценки  фактического  уровня  шума  схемы 

генератора использовался АЦП AD1299, амплитуда собственных  шумов  которого  составляет  порядка 1  мкВ,  что  подтверждается  экспериментально  пу-тем  установки  режима  замыкания  дифференци-ального  входа  выбранного  канала.  На  входе  АЦП в  измерительной  системе  установлены  резисторы 5 кОм, которые добавляют к амплитуде шума при-близительно  0,67  мкВ.  Это  также  подтверждается экспериментально путем замыкания дифференци-ального входа одного из каналов последовательно через два резистора. Методика этих диагностиче-ских измерений описана в [11]. Фактическая макси-мальная величина амплитуды шума АЦП и входных резисторов перед подключением генератора равна 1,21 мкВ.

При подключении схемы генератора к дифферен-циальному входу АЦП и записи в выходные регистры обоих каналов ЦАП значения D= 32767, что соответ-ствует  нулевому  значению  напряжения  на  выходе, был зафиксирован шум амплитудой 7,89 мкВ «пик-пик» (рис. 9). Длительность измерения –  10 с.

–3,825E-5 –

–3,85E-5 –

–3,875E-5 –

–3,9E-5 –

–3,925E-5 –

–3,95E-5 –

–3,975E-5 –

–4E-5 –

–4,025E-5 –

–4,05E-5 –

–4,075E-5 –

–4,1E-5 –

–4,125E-5 –

–4,15E-5 –

–4,175E-5 –

–4,2E-5 –

–4,225E-5 –

–4,25E-5 –

–4,275E-5 –

–4,3E-5 –

–4,325E-5 –

–4,35E-5 –

–4,375E-5 –

–4,4E-5 –

–4,425E-5 –

–4,45E-5 –

–4,475E-5 –

–4,5E-5 –

–4,525E-5 –

–4,55E-5 –

–4,575E-5 –

–4,6E-5 –0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500

Volt

s

Sample (Time)

UnoutIA

Unout

UnLPF2

VnR

B

A

R

Vn

In–

G = 0,0976

10 кОм

AD8599

Рисунок 9. Шум, зафиксированный АЦП

Рисунок 8. Шумовая модель ОУ в источнике тока, управляемом напряжением



Минимальная  частота  сэмплирования  данной АЦП  –   250  сэмпл./с,  следовательно,  минимальное значение верхней границы диапазона частот равно 125 Гц. Таким образом, шум, измеренный в течение 10 с, является шумом полосы 0,1–125 Гц, а не 0,1–30  Гц. Это  ограничение  экспериментальной  уста-новки вносит погрешность в оценку.

С вычетом шума АЦП и входных резисторов из-меренная амплитуда суммарного шума двух кана-лов схемы равна 6,68 мкВ.

При пересчете шумов схемы для полосы в 0,1–125 Гц расчетная величина шума «пик-пик» увели-чивается  до  8,257  мкВ,  что  превышает  фактиче-ски измеренную. Это объясняется наличием двух ФНЧ, которые подавляют часть высокочастотного шума.

ВыводыОсновным  источником  шумов  генератора  сверх-

малого напряжения является 1/f шум ЦАП, что явля-ется одним из фундаментальных ограничений мини-мальной  амплитуды  сигнала  генератора.  Улучшить этот  параметр  можно,  используя  ЦАП  с  лучшими характеристиками в области низких частот, в первую очередь с  частотой излома. Шум 1/f  зависит от  ка-чества  изготовления  кристалла,  и  именно  частота излома  характеризует  шум  микросхемы  в  области низких частот. Прочие элементы  (ОУ и ИУ) не вно-сят существенный вклад в общий шум схемы генера-тора. Достигнутый уровень шума 3,46 мкВ «пик-пик» позволяет  осуществлять  имитацию  электрической активности головного мозга человека сигналом ам-плитудой 11 мкВ при соотношении сигнал/шум 10 дБ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.   Баширов А. С., Соловьев В. Ю., Баловнев Д. А. Генератор сигналов сверхмалого напряжения для имитации электро-энцефалограммы человека // Вопросы радиоэлектроники. 2017. № 3. С. 116–123.

2.  Jung W. Op Amp Application Handbook, Newnes/Elsevier, 2005, 895 p.3.   Texas Instruments. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits: Application report. 2007. Available at: http://www.ti.com/

lit/an/slva043b/slva043b.pdf (accessed 03.11.2017)4.   Rich A. Noise Calculations in Op Amp Circuits –  Design Note 15. 2015. Available at: http://cds.linear.com/docs/en/design-

note/dn015f.pdf (accessed 03.11.2017)5.  Ли П. Руководство по выбору малошумящего усилителя // Компоненты и технологии. 2010. № 1. С. 46–51.6.   Analog  Devices.  ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550.  Ultralow  Noise,  High  Accuracy  Voltage 

References: Datasheet. 2012. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADR4520_4525_4530_4533_4540_4550.pdf (accessed 03.11.2017)

7.   Analog Devices. AD8244. Single-Supply, Low Power, Precision FET Input Quad Buffer: Datasheet 2017. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8244.pdf (accessed 03.11.2017)

8.   Analog Devices. AD8597/AD8599. Single and Dual, Ultralow Distortion, Ultralow Noise Op Amps: Datasheet. 2017. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8597_8599.pdf (accessed 03..2017)

9.   Analog Devices. AD5689/AD5687. Dual, 16-/12-Bit nanoDAC+ with SPI Interface: Datasheet. 2017. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5689_5687.pdf (accessed 03.11.2017)

10.  Analog Devices. AD8429. 1 nV/√Hz Low Noise Instrumentation Amplifier: Datasheet. 2017. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8429.pdf (accessed 03.11.2017)

11.  Texas Instruments. EEG Front-End Performance Demonstration Kit: Datasheet. 2012. Available at: http://www.ti.com/lit/ug/slau443b/slau443b.pdf (accessed 03.11.2017)

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Баширов Антон Сергеевич, аспирант, старший инженер, ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука», 119334, Москва, ул. Вави-лова, д. 24, тел.: 8 (909) 930-17-39, e-mail: [email protected].Соловьев Владимир Юрьевич, ведущий инженер, ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука», 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 24, тел.: 8 (906) 096-22-00, e-mail: [email protected].Баловнев Дмитрий Андреевич, начальник отдела, ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука», 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 24, тел.: 8 (916) 534-09-31, e-mail: [email protected].Красовский Виктор Евгеньевич, к. т. н., профессор, ученый секретарь, ПАО «ИНЭУМ им. И. С. Брука», 119334, Москва, ул. Вавилова, д. 24, тел.: 8 (499) 135-44-49, e-mail: [email protected].

For citation: Bashirov A. S., Soloviev V. Yu., Balovnev D. A., Krasovsky V. E. Noise analysis of an ultra-low-voltage generator. Voprosy radioelektroniki, 2018, no. 2, pp. 128–135.

A. S. Bashirov, V. Yu. Soloviev, D. A. Balovnev, V. E. Krasovsky

NOISE ANALYSIS OF AN ULTRA-LOW-VOLTAGE GENERATOR

One of the most important parameters of the simulator of electrical activity of the human brain is the lower bound of its dynamic range. So, to mimic the signal amplitude of evoked potentials must be in the range 1–5 µV. The minimum amplitude of the signal that the ultra-low voltage generator can produce is limited by its noise level. In this paper, the noise level of the electronic circuit of the generator is estimated. The internal noise of the circuit in the low-frequency region (0,1–30 Hz) is of the order of 3,5 µV peak-peak, which is confirmed experimentally. The main source of noise generator, ultra-low voltage is 1/f noise of DAC, which 

www.instel.ru 135


depends on the quality of the Crystal. Noise level reached allows simulation of the electrical activity of the human brain signal amplitude µV 11 signal-to-noise ratio 10 DB.

Keywords: noise, generator, op-amp, in-amp, flicker noise, 1/f noise, low voltage.

REFERENCES

1.   Bashirov A. S.,  Soloviev V. Yu.,  Balovnev D. A.  Precision  ultra-low-voltage  signal  generator  for  simulating  human  EEG. Voprosy radioelektroniki, 2017, no. 3, pp. 116–123 (In Russian).

2.  Jung W. Op Amp Application Handbook, Newnes/Elsevier, 2005, 895 p.3.   [Texas Instruments. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits: Application report. 2007]. Available at: http://www.ti.com/

lit/an/slva043b/slva043b.pdf (accessed 03.11.2017)4.   [Rich A. Noise Calculations in Op Amp Circuits –  Design Note 15. 2015]. Available at: http://cds.linear.com/docs/en/design-

note/dn015f.pdf (accessed 03.11.2017)5.   Lee P. Low Noise Amplifier Selection Guide for Optimal Noise Performance: application note. Komponenty i tekhnologii, 2010, 

no. 1, pp. 46–51 (In Russian).6.   [Analog  Devices.  ADR4520/ADR4525/ADR4530/ADR4533/ADR4540/ADR4550.  Ultralow  Noise,  High  Accuracy  Voltage 

References: Datasheet. 2012]. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADR4520_4525_4530_4533_4540_4550.pdf (accessed 03.11.2017)

7.   [Analog Devices. AD8244. Single-Supply, Low Power, Precision FET Input Quad Buffer: Datasheet 2017]. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8244.pdf (accessed 03.11.2017)

8.   [Analog Devices. AD8597/AD8599. Single and Dual, Ultralow Distortion, Ultralow Noise Op Amps: Datasheet. 2017]. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8597_8599.pdf (accessed 03.11.2017)

9.   [Analog Devices. AD5689/AD5687. Dual, 16-/12-Bit nanoDAC+ with SPI Interface: Datasheet. 2017]. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD5689_5687.pdf (accessed 03.11.2017)

10.  [Analog Devices. AD8429. 1 nV/√Hz Low Noise Instrumentation Amplifier: Datasheet. 2017]. Available at: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8429.pdf (accessed 03.11.2017)

11.  [Texas Instruments. EEG Front-End Performance Demonstration Kit: Datasheet. 2012]. Available at: http://www.ti.com/lit/ug/slau443b/slau443b.pdf (accessed 03.11.2017)

AUTHORS

Bashirov Anton, graduate  student,  senior  engineer,  PJSC  Brook  INEUM,  24,  ulitsa  Vavilova,  Moscow,  119334,  Russian Federation, tel.: +7 (909) 930-17-39, e-mail: [email protected] Vladimir, lead  engineer,  PJSC  Brook  INEUM,  24,  ulitsa  Vavilova,  Moscow,  119334,  Russian  Federation, tel.: +7 (906) 096-22-00, e-mail: [email protected] Dmitriy, head  of  Department,  PJSC  Brook  INEUM,  24,  ulitsa  Vavilova,  Moscow,  119334,  Russian  Federation, tel.: +7 (916) 534-09-31, e-mail: [email protected] Viktor, PhD, professor,  scientific  secretary, PJSC Brook  INEUM, 24, ulitsa Vavilova, Moscow, 119334, Russian Federation, tel.: +7 (499) 135-44-49, e-mail: [email protected].

ОЦЕНКА УРОВНЯ ШУМА ГЕНЕРАТОРА …...2 +v n 2(f cv ln f h f l + Δf) ⎛...

Documents