DE1591978C3

DE1591978C3 - Verfahren und Gerät zum Messen des Rauschens eines aktiven Vierpols

Info

Publication number: DE1591978C3
Application number: DE1591978A
Authority: DE
Inventors: Tomisaburo Kyoto Okumura (Japan)
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1966-05-23
Filing date: 1967-05-23
Publication date: 1975-07-03
Also published as: NL150916B; DE1591978B2; NL6707070A; DE1591978A1; US3535635A; GB1187301A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des Rauschens eines aktiven Vierpols hohen Eingangswiderstands, bei dem man an den Eingang des an seinen Betriebsspannungen liegenden aktiven Elements eine erste, aus einem bekannten Widerstand bestehende Rauschquelle anschließt und hieraus mit Hilfe einer Quadriervorrichtung einen ersten quadratischen Mittelwert der Ausgangsspannung des Elements bestimmt und anzeigt und sodann mit Hilfe eines Wahlschalters auf eine weitere Rauschquelle umschaltet und hieraus einen zweiten quadratischen Mittelwert der Ausgangsspannung bestimmt und anzeigt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Gerät zum Durchführen des Verfahrens mit einem eine von mehreren Rauschquellen an den Eingang des Elements anschließenden Wahlschalter und einem sich ausgangsseitig an das Element anschließenden frequenzselektiven Verstärker mit einer in einem bestimmten Frequenzbereich liegenden Bandpaßcharakteristik, dessen Ausgangssignal einer Quadriervorrichtung zum Quadrieren proportional zum Quadrat ihres Eingangssignals zugeleitet ist, deren Ausgangssignal an ein Anzeigegerät angeschlossen ist.
An der Eingangsseite einer untersuchten aktiven Schaltung vorhandene Rauschquellen können danach eingeteilt werden, ob sie von einer Impedanz einer Signalquelle abhängen oder nicht, die im ersteren Fall eine Rauschstromquelle und im letzteren Fall eine

ίο Rauschspannungsquelle ist. Unter Prüfung stehende aktive Elemente, die keinen Stromfluß durch ihren Eingangskreis zulassen, sind offensichtlich frei von jeder Rauschstromquelle und enthalten lediglich eine Rauschspannungsquelle. Eine Rauschspannungsquelle kann durch einen äquivalenten oder Ersatz-Rauschwiderstand mit einer gleich großen Rauschspannungserzeugung wie die Spannungsquelle dargestellt werden.

Ein Verfahren und ein Gerät der eingangs genannten Art ist zum Messen der Rauschzahl von UKW-Empfängern bekannt (»Funk-Technik« 1956, Nr. 8, S. 223). Dabei wird der Antenneneingang des Empfangers abwechselnd einmal an die Ausgangsklemme eines Rauschsignalgenerators und einmal über einen ohmschen Widerstand an Masse gelegt. Aus den beiden sich ergebenden quadratischen Mittelwerten der Ausgangsspannung wird die Rauschzahl des Verstärkers bestimmt.

Das Vorsehen eines besonderen Test-Rauschsignalgenerators stellt einen besonderen Aufwand beim bekannten Meßverfahren dar, das jedoch trotzdem keine einwandfreien Messungen liefert. Bei der bekannten Messung ist nämlich vorausgesetzt, daß der ohmsche Widerstand ein idealer nichtrauschender Widerstand ist und daß die Werte für die Verstärkung und für die äquivalente Rauschbandbreite konstant sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit der Rauschmessung mit einfachen Mitteln zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Verfahrensdurchführung gelöst, daß man einleitend zum Bestimmen des Einflusses einer eventuell vorhandenen Rauschstromquelle eingangsseitig an das Element mit Hilfe des Wahlschalters mindestens zwei verschiedene Kapazitäten und sodann die erste Rauschquelle in Form des Widerstandes und min-

■ destens die eine weitere Rauschquelle, die ebenfalls durch einen Widersland gebildet ist, an das aktive Element anschließt und aus dem Verhältnis der jeweils angezeigten Daten den gewünschten Rauschparameter rechnerisch ermittelt.

Der ermittelte Rauschparameter ist beispielsweise der Rauschfaktor oder der äquivalente Rauschwiderstand. Zur Durchführung dieses Verfahrens dient gemäß der Erfindung ein Gerät, bei dem als Rauschquellen mehrere Kapazitäten zum Variieren der Rauschstromquelle des Elements und mehrere Widerstände zum Variieren der Rauschspannungsquelle des Elements vorgesehen sind.

Der äquivalente Rauschwiderstand gehorcht nämlich einer festen Beziehung zu den Rauschquellenwiderständen und zu den quadrierten Werten der Ausgangsspannung beim Rauschen. Die anzuschließenden Kapazitäten dienen der überprüfung, daß der äquivalente Rauschwiderstand als konstant angesehen werden kann, in welchem Fall sich beim Anschließen der verschiedenen Kapazitäten die Ausgangsspannung

nicht ändert. Es läßt sich damit also entscheiden, ob ein aktives Element als nur eine Rauschspannungsquelle enthaltend angesehen werden kann und cb der Ersatzrauschwiderstand in einem bestimmten Bereich unabhängig von einer Rauschquellenimpedanz ist. Zweckmäßigerweise wird ein Widerstand, der einen viel größeren Widerstandswert aufweist als die Reaktanz der Kondensatoren, diesen parallelgeschaltet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 eine Ersatzschaltung einer Rauschquelle in einem unter Prüfung stehenden aktiven Element und

F i g. 2 ein Schaltschema eines aktiven Bauteils zum erfindungsgemäßen Messen von Rauschen.

F i g. 1 zeigt einen äquivalenten oder Ersatz-Rauschwiderstand r_cq, eine aktive Schaltung oder ein aktives Element 1 ohne Rauschquelle und einen Signalquellenwiderstand R₁-.

Der Rauschfaktor der in Fig. 1 dargestellten Schaltung beträgt

nf = 1 +

r_eq R, "

(1)

NF = lOlog (l + ^) dB.

(2)

i = AkT (R; + r_eq) B-A,

(3)

"i*, = AkT(R_n +r_eq)B,

~?m Rr.

(7)

!2"1-'Ci

Wenn ρ = -=ψ- ist, ergibt die Substitution

et

pR_i2 - R₁₁

^r-- 1-p ■

(8)

20

Die in der Technik üblicherweise verwendete logarithmische Angabe lautet

Der quadratische Mittelwert der Rauschspannung ei in der Schaltung der F i g. 1 wird dargestellt durch

35

worin A den Verstärkungsgrad des aktiven Elements, k die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur des Widerstands R₁- und B die Bandbreite bedeuten.

Wenn der Wert von ~?_n durch «&, "^₂, ~e\_z ... ~er_nn ausgedrückt wird je nach Veränderung des Wertes von R₁ auf R_n, R_i2, R₁₃ ■ ■ ■ R_in, ist das Ergebnis

(4)

(5)

(6)

Die Gleichungen (4) und (5) werden wie folgt kombiniert:

55

60

Da_R₍₁ und R_i2 bekannt sind, kann r_eq leicht aus ρ oder ^r- errechnet werden. ^6s

<?n2

Die Gleichung (8) enthält weder die Bandbreite noch den Verstärkungsgrad des aktiven Elements.

Deshalb ist es klar, daß die Bestimmung von r_eq mit Hilfe der Gleichung (8) sehr leicht ist.

Die in der Praxis zu messendenjQuantitäten sind, was besonders wichtig ist, ^₁ und e^₂ der linken Seite der Gleichung (8) multipliziert mit einer gemeinsamen Konstante dazwischen. Die Multiplikation verursacht keine Änderung des Wertes p.

Um den Wert von r_eq aus der Gleichung (8) zu erhalten, genügt es theoretisch, nur bei zwei Werten von R; zu messen. Auf Grund der den Rauschmessungen innewohnenden Anzeigeschwankung ist es jedoch in der Praxis besser, die Daten für viele Werte von .R₁-zu erhalten und r_eq aus diesen Ergebnissen zu berechnen.

F i g. 2 zeigt schematisch eine Schaltung zum Messen des Rauschens eines unter Prüfung stehenden n-Kanal-M OS-Transistors 2, die einen frequenzselektiven Verstärker 3 mit einer Bandpaßcharakteristik in einem bestimmten Frequenzbereich, eine Quadriereinrichtung 4, deren Ausgangsspannung proportional zum Quadrat der Eingangsspannung ist, ein Meßinstrument 5 und eine RC-Wahlschaltereinheit 6 umfaßt.

Die Einheit 6 enthält Signalquellenwiderstände R_n, R₁₂ und R_!3 mit verschiedenen Widerstandswerten und Kondensatoren C₁₁, C_i2 und C_;3 mit verschiedenen Kapazitätswerten. Die Impedanz des frequenzselektiven Verstärkers 3 bei einer Frequenz im Durchlaßbereich hat im Bereich zwischen dem größten und dem kleinsten Wert der Signalquellenwiderstände R₁ einen bestimmten Wert. V_c ist eine Spannungsquelle zum Vorspannen des unter Prüfung stehenden MOS-Transistors 2, und R_c ist ein Widerstand hierfür, dessen Wert viel größer als der höchste Widerstand oder die größte Impedanz der Widerstände .R₁- und der Kondensatoren C₁-. C ist ein Kondensator zum Sperren eines Gleichstroms und weist eine Impedanz auf, die viel geringer ist als die der Widerstände R-, und der Kondensatoren C₁-. R_B ist ein Arbeitswiderstand für den Transistor 2, und V_B ist seine Speisespannquelle.

F i g. 2 zeigt nur drei Widerstände R₁ und drei Kondensatoren C₁-. Dies ist nur ein Beispiel, und die Anzahl der Widerstände i?,- und der Kondensatoren C₁-braucht weder drei zu betragen noch müssen sie die gleiche Anzahl aufweisen.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltanordnung wird der frequenzselektive Verstärker auf eine zu messende Frequenz abgestimmt. Eine durch die Spannungsquadriereinrichtung 4_ quadrierte Rauschspannung, die proportional zu e\ ist, wird am Meßinstrument 5 als Indikator angezeigt. _

Dieser angezeigte Wert, der proportional zu ef, ist, kann in der linken Seite der Gleichung (7) eingesetzt werden. Bei der Berechnung von r_eq aus der Gleichung (8) wird jedoch vorausgesetzt, daß r_eq von der Signalquellenimpedanz R₁ unabhängig ist.

Die Kondensatoren C,- sind vorgesehen, um die Gültigkeit dieser Voraussetzung zu prüfen.

Da ein Kondensator kein Rauschen enthält, muß die Rauschspannung, die durch das Meßinstrument 5 angezeigt wird, wenn die Steuerelektrode des MOS-Transistors von den Widerständen R₁ auf die Kondensatoren C₁- geschaltet wird, als Rauschspannung angesehen werden, die vom Transistor selbst stammt. Wenn folglich r_eq von der Signalquellenimpedanz unabhängig ist, sollte sich der vom Instrument 5 angezeigte Ausgangswert bei Umschaltung der Kapazität von C_n bis C₁₃ nicht ändern.

Wenn r_eq durch eine Konstante dargestellt ist oder genauer gesagt, wenn es sich ergibt, daß r_eq als Konstante im Bereich der Impedanz behandelt werden kann, die einer Kapazität zwiscnen C₁₁ und C_;3 entspricht, oder im Bereich eines Widerstandes zwischen R_a und R_i3, kann r_eq aus den Gleichungen (7) und (8) sicher berechnet werden. Der Rauschfaktor kann aus den Gleichungen (1) und (2) berechnet werden. Wenn der Ersatzrauschwiderstand oder der Rauschfaktor einmal festgestellt sind, kann man natürlich andere Rauschparameter unmittelbar davon ableiten.

Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung näher und ihre Anwendung unter Bezugnahme auf F i g. 2 erläutert.

Um eine Rauschmessung bei einem n-Kanal-MOS-Transistor durchzuführen, wurden sechs Widerstände mit Werten zwischen 50 kü und 1,0 MO und drei Kondensatoren einer Kapazität zwischen 0,1 aF und 100 pF mit einem Vielfachschalter zur RC-Vorwähleinheit 6 zusammengebaut. Die zum Messen verwendete Frequenz betrug 1 kHz und R₁. war 10 Mil Außerdem betrug die Temperatur während des Messens 20⁰C, der Arbeitsstrom betrug 0,5 mA und die Versorgungsspannung 5 V. Unter diesen Bedingungen wurde die Steuerelektrode zunächst mit jedem Kondensator C₁- verbunden, um zu prüfen, ob sich der Ausschlag des Ausgangsindikators 5 mit der Impedanz des Kondensators verändert. Als Ergebnis wurde keine Veränderung im Ausschlag des Meßinstrumentes 5 festgestellt, wenn C₁ von 100 pF auf 0,01 μΡ verändert wurde, woraus ersichtlich war, daß r_eq konstant war. Dann wurde die Steuerelektrode nach und nach mit den sechs Widerständen R₁ verbunden,und unter Verwendung des Verfahrens der Mittelwertbildung ergab sich r_eq = 968 k£2. Der Rauschwert für den Fall von Ri = 1 ΜΩ wurde zu 2,94 dB berechnet, was gut mit dem Ergebnis eines anderen Rauschmeßverfahrens übereinstimmte, das 2,72 dB lieferte. Im Hinblick auf das Meßprinzip wurde jedoch das vorliegende Verfahren als genauer angesehen.

Wie aus vorstehender Erläuterung ersichtlich, ist die Anzahl der verwendeten Kondensatoren C₁- für die Rauschmessung nicht wesentlich. Wenn deshalb bei anderen Verfahren festgestellt wird, daß eine Rauschstromquelle in dem unter Prüfung stehenden aktiven Element vernachlässigbar ist, ist es nicht notwendig, Kondensatoren' aufzuschalten, um das Vorliegen des Einflusses einer Rauschstromquelle zu überprüfen. Die Verwendung von Kondensatoren C₁-hat jedoch zusätzlich die wichtige Aufgabe zu überprüfen, ob r_eq konstant ist.

Obwohl sich das beschriebene Beispiel auf einen n-Kanal-M OS-Transistor bezieht, ist es klar, daß die Erfindung allgemein bei jedem Transistor mit isolierter Steuerelektrode, beispielsweise einem p-Kanal-MOS-Transistor, einem Feldeffekttransistor mit Sperrschichtsteuerelektrode, einer Vakuumröhre und darüber hinaus selbst bei einem aktiven Element mit viel geringerer Eingangsimpedanz angewendet werden kann.

Der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem aktiven Element bezieht sich auf dessen Eingangswiderstand und ist durch ihn bestimmt. Wenn die Signalquellenimpedanz gering ist, ist die von einer Rauschstromquelle stammende Rauschspannung vernachlässigbar im Vergleich zu derjenigen, die von einer Rauschspannungsquelle stammt, selbst wenn der Eingangswiderstand des Elementes klein ist. In einem solchen Fall ist in Betracht zu ziehen, daß innerhalb eines bestimmten Widerstandsbereiches das Element nur eine Rauschspannungsquelle aufweist.

Gemäß dem oben beschriebenen Verfahren wird der Wert von r_eq, der aus den Gleichungen (7) und (8) berechnet ist, in die linke Seite der Gleichungen (1) und (2) eingesetzt, um den entsprechenden Rauschfaktor «/zu erhalten/Um jedoch »/unmittelbar ohne Berechnung von r_eq zu erhalten, können die folgenden Gleichungen verwendet werden, die man durch die Kombination der Gleichung (8) mit der Gleichung (1) oder der Gleichung (2) erhält.

nf = 1 +

pRg -

NF = 10 log

(10)

worin R_ir die zu messende Signalquellenimpedanz bedeutet.

Theoretisch kann man /i/oder NF aus den Daten für zwei Fälle von /?,- erhalten. Wie jedoch oben im Zusammenhang mit der Berechnung des Wertes von r_eq erläutert, ist es genauer, Messungen für mehrere Werte einer Signalquellenimpedanz durchzuführen und daraus den Wert von ρ zu gewinnen, aus dem nf oder NF zu errechnen ist.

Zum Bestimmen des Wertes von ρ aus einer großen Anzahl von Daten gibt es das Auswahlpunktverfahren, bei dem die Anzeigewerte des Indikators in einem rechtwinkligen Koordinatensystem aufgezeichnet werden und eine gerade Linie derart bestimmt wird, daß eine etwa gleiche Anzahl von Punkten zu beiden Seiten der Linie liegt, deren Neigung den Wert ρ ergibt; ferner das Mittelwertbildungsverfahren, bei dem die Daten in zwei Gruppen geteilt werden, die etwa die gleichen Werte aufweisen, und bei dem die Schwerpunkte jeder Gruppe bestimmt werden, durch die eine gerade Linie gezogen wird, wodurch man die Neigung ρ erhält; und schließlich das Verfahren der kleinsten Quadrate, das verwendet wird, um eine gerade Linie zu ziehen und deren Neigung ρ zu erhalten.

Wie oben erläutert, können die hier genannten Gleichungen ihrer Verwendung entsprechend verschiedentlich umgeformt werden.

Es ist sehr zu empfehlen, mehr als zwei Eingangswiderstände zu verwenden, um das mittlere Rauschspannungsquadrat (mean square noise voltage) oder die diesen proportionalen Werte zu erhalten, aus denen der Rauschfaktor und der Ersatzrauschwiderstand unter Verwendung der Gleichungen (1), (2), (8), (9) und (10) oder äquivalenter Gleichungen berechnet werden. Andere Rechenverfahren, die im Ergebnis im wesentlichen gleich sind, fallen jedoch in den Rahmen der Erfindung.

Aus der obigen Beschreibung eines Rauschmeßverfahrens bei einem aktiven Element ergibt sich, daß dieses Verfahren nicht nur bei einem einzelnen Element, sondern auch bei einer aktiven Schaltung angewandt werden kann, wenn der Ersatzrauschwiderstand im Stromkreis als eine Konstante angesehen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen des Rauschens eines aktiven Vierpols hohen Eingangswiderstands, bei dem man an den Eingang des an seinen Betriebsspannungen liegenden aktiven Elements eine erste, aus einem bekannten Widerstand bestehende Rauschquelle anschließt und hieraus mit Hilfe einer Quadriervorrichtung einen ersten quadratischen Mittelwert der Ausgangsspannung des Elements bestimmt und anzeigt und sodann mit Hilfe eines Wahlschalters auf eine weitere Rauschquelle umschaltet und hieraus einen zweiten quadratischen Mittelwert der Ausgangsspannung bestimmt und anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß man einleitend zum Bestimmen des Einflusses einer eventuell vorhandenen Rauschstromquelle eingangsseitig an das Element (1, 2) mit Hilfe des Wahlschalters mindestens zwei verschiedene Kapazitäten (C₁₁, Q₂, Q₃) und sodann die erste Rauschquelle in Form des Widerstands (z. B. R_n ) und mindestens die eine weitere Rauschquelle, die ebenfalls durch einen Widerstand (z. B. R_n) gebildet ist, an das aktive Element anschließt und aus dem Verhältnis der jeweils angezeigten Daten den gewünschten Rauschparameter rechnerisch ermittelt.

2. Gerät zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch" 1, mit einem eine von mehreren Rauschquellen an den Eingang des Elementes anschließenden Wahlschalter und einem sich ausgangsseitig an das Element anschließenden frequenzselektiven Verstärker mit einer in einem bestimmten Frequenzbereich liegenden Bandpaßcharakteristik, dessen Ausgangssignal einer Quadriervorrichtung zum Erzeugen des Quadrates ihrer Eingangsspannung zugeleitet ist, deren Ausgang an ein Anzeigegerät angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Rauschquellen mehrere Kapazitäten (C₁-) zum Variieren der Rauschstromquelle des Elementes (1,2) und mehrere Widerstände (jR_f) zum Variieren der Rauschspannungsquelle des Elementes vorgesehen sind.