Medições de baixo ruído, parte 2.

Bob Pease foi um dos grandes gênios da eletrônica analógica. A seguir minha tradução da segunda parte do seu artigo sobre medições de ruído de pouca intensidade.

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Para contornar o problema com o circuito na coluna anterior, decidi fazer meu próprio testador de ruído na corrente das bases dos transistores. Para começar fiz um esquemático (na figura). Eu o mostrei para várias pessoas. Uma pessoa percebeu que estava violando os limites de modo comum do LM627. Agradeci e acrescentei um par de 1N914 para limitar o modo comum para dentro dos limites. Eu podia ter dito que foi de propósito para ver se alguém estava prestando atenção, mas achei que não estava na hora certa para essas brincadeiras.

Teve gente perguntando se eu não ia alimentar com baterias. "Para medir baixo ruído precisa de alimentação de baixo ruído, certo?" A resposta é não. As fontes modernas são bem quietas e o amplificador (Q1A e Q1B) equilibrado (diferencial) não precisa mais que isso. Fora isso, tem uma excelente rejeição a variações na alimentação.

Daí perguntaram se ia montar numa caixa grande blindada? Não tem necessidade. De fato, eu geralmente uso ele aberto e sem cobertura na bancada.

Normalmente preciso desligar o ferro de soldar para um resultado razoável. Também preciso afastar vários instrumentos cujas fontes irradiam ruído por todo lugar. A primeira coisa a fazer foi colar uma nota avisando para monitorar a saída. Isso porque se a saída saturar no barramento não se deve confiar nas medições. A ressalva seguinte foi de que a resposta em frequencia é indeterminada e depende do layout, mesmo uma fração de pF pode prejudicar o funcionamento.

Nos o energizamos e ele deu medições bem razoáveis. Vimos que o ruído na corrente das bases estava no limite do valor teórico, pelo menos acima de 100 Hz. Estivemos muito ocupados para gastar tempo em fazer o analisador de espectro funcionar em 10 Hz, isso vai ter que esperar. Depois verificamos nas freqüências mais altas. Eu fiz um capacitor de realimentação com uns 5 cm de par trançado (cerca de 2 pF) e fui destorcendo aos poucos.

Na medida que a capacitância diminuía, a resposta foi para mais de 10 kHz, depois para 20 kHz. Isso faz o capacitor ter menos de 1/3 de pF. Fizemos isso usando 3 resistores de 3,32 MΩ em série, para que suas capacitâncias parasitas estivessem em série, e portanto reduzidas. Fora isso, nos fizemos partições com placas de circuito impresso para impedir as capacitâncias parasitas entre entrada e saída. A saída não tem nem visada para a entrada. Para conetar um capacitor de 0,5 pF entre entrada e saída é preciso que ele passe por cima de uma das partições.

Ainda não usamos o resistor de 50 MΩ (feito com 5 resistores de 10 MΩ em série), mas ele vai nos dar uma boa resolução quando os transistores operam com 4 a 12 µA no emissor. Note que esse circuito é em boa parte igual ao que usamos para medir a corrente de base (corrente de polarização) de um amplificador operacional. Mas quando se faz isso fica bem difícil conseguir menos de 0,5 pF entre entrada e saída, por causa da capacitância parasita do soquete, particularmente se usar operacionais duplos ou quádruplos.

Com o operacional pode ser necessário fazer as medições com um dos pinos fora do soquete. Em produção, desenhe o circuito impresso com guardas entre os pinos. Veja a folha do LMC660 para informações sobre técnicas de guarda.

Assim foi confirmado que é possível fazer medições de baixo ruído. Com algum cuidado pode construir um circuito simples usando blindagem moderada. E pode facilmente verificar se tem ruídos de 60 Hz, 120 Hz ou 5 MHz entrando no circuito.

Uma coisa é certa, não se pode confiar cegamente, é preciso estar sempre pensando no que está fazendo. Pelo menos confirmamos que os transistores eram realmente de baixo ruído. A maioria estava perto do limite inferior do ruído medível, com muito poucos mais ruidosos que a maioria.

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O tradutor é técnico em eletrônica, tendo trabalhado com instrumentação industrial, automação e controle de processo, programação de computador e supervisão de equipe de montagem. Fora o português tem fluência total em inglês e sueco. Faz traduções técnicas desde 2005.

Informações de contato se localizam no perfil e em
http://www.hotfrog.com.br/Empresas/Tradutor-Guaiba e
http://guaiba.olx.com.br/traducoes-ingles-portugues-e-sueco-iid-617619640

 Medições de baixo ruído, parte 1.

Bob Pease foi um dos génios da eletrônica analógica. A seguir a tradução da primeira parte de um artigo seu sobre a medição de ruído. O artigo original se encontra em http://electronicdesign.com/analog/what-s-all-noise-stuff-anyhow-part-1.

Recentemente me convidaram para uma reunião para ver os resultados do projeto de um novo transistor, de alta performance e baixo ruído. Vi o relatório técnico. Os novos transistores eram mesmo bem menos ruidosos que os antigos. De fato, seu ruído era de duas a três ordens de magnitude menor que os convencionais. Achei suspeito. Como mediram isso? Ah, aqui está o circuíto na figura ao lado.

Perguntei se os betas (ganho de corrente) eram baixos ou altos? Me informaram que eram relativamente baixos, mas seriam aumentados mais tarde. Expliquei que com betas baixos, se as correntes de base não estiverem muito bem equilibradas, a saída do circuito de teste pode saturar num dos barramentos + ou -. Naturalmente, nesse caso o ruído aparenta ser muito baixo.

Quando o circuito funciona bem, o ruído em corrente é amplificado por uma resistência grande: 1 MΩ * (N+1) onde N é o ganho em malha fechada (RF/R1). Assim, a saída é (1 + I_ruído de Q1A) + (I_ruído de Q1B) * 1000 MΩ. No entanto, a corrente de desequilibrio (I+) - (I-) tambem vai ser amplificada por 1000 MΩ. Basta 9 nA de desequilibrio  das correntes para que a saída do amplificador ir a +9 V. Se a alimentação não é suficiente para que o sistema se equilibre, o amplificador satura. Naturalmente a saída então se torna bem quieta, o circuito deixou de amplificar o ruído.

Apontei que o circuíto podia mesmo amplificar o ruído na corrente da base do transistor, ou o dispositivo sob teste (DUT). Mas que o layout do circuito é bastante sensível. Apenas 1 pF de capacitância (CF) entre a saída e a base de Q1B causa um atraso na resposta. 1000 MΩ * 1 pF = 1 ms, o ruído atenua acima de 160 Hz. É possível fazer um layout com menos de 0,1 pF, mas precisa ser bem pensado e bem montado.

Ao examinar o testador, o layout estava muito organizado, o fio da saída estava montado ao longo do fio do nó somador (base de Q1B), e a resposta em frequencia estava mesmo abaixo de 100Hz. Numa coluna futura falarei de como 1 pF se parece e como pode prejudicar. Assim, mesmo se a saída não estivesse saturada e se tentasse medir o ruído em 1 ou 10 kHz, este circuíto indicaria um resultado muito abaixo do mínimo teórico do transistor. É um bom lugar para verificar a correção do circuíto.

Não que seja impossível medir o ruído da corrente da base do transistor, mas o circuíto precisa ser adequado. Eu escrevi um artigo em 1968, e verificando hoje, a única coisa que mudou é o nome dos operacionais. Não se pode mais comprar estes operacionais de componentes discretos e encapsulados, mas a abordagem do teste tem a mesma validade. Talvez eu escreva uma versão atualizada. No caso presente, o problema foi que um resistor de 1 MΩ e a amplificação do ruído em 100 ou 1000 (por RF e R1) não foi uma boa idéia. As capacitâncias parasitas e o ruído do 1 MΩ prejudicam a precisão. É bem melhor usar resistores reais de 100 ou 1000 MΩ.

De fato, um resistor de 20 ou 5 MΩ se justifica pois dará uma boa relação sinal/ruído e boa largura de resposta. Mais sobre isso a seguir.

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O tradutor é técnico em eletrônica, tendo trabalhado com instrumentação industrial, automação e controle de processo, programação de computador e supervisão de equipe de montagem. Fora o português tem fluência total em inglês e sueco. Faz traduções técnicas desde 2005.

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