Reporte: Laboratorio de medida de ruido a baja frecuencia

Transcripción

1 Reporte: Laboratorio de medida de ruido a baja frecuencia Proyecto ANII-FCE592/2007 Amplificadores integrados de bajo ruido, diseño y caracterización. En este reporte se presenta un detalle del laboratorio para medida de ruido a baja frecuencia, montado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica (DIE) de la Universidad Católica del Uruguay (UCU), con apoyo del Proyecto de Investigación ANII-FCE592/2007 Amplificadores integrados de bajo ruido, diseño y caracterización. Además se reportan algunas medidas de amplificadores comerciales y otros simples diseñados en el grupo de investigación. El objetivo de este laboratorio es brindar la posibilidad de medir ruido en amplificadores especialmente dentro del rango de señales biológicas. El grupo de trabajo en microelectrónica en la UCU desde 2004 ha realizado una contribución valiosa tanto al modelado de ruido como al diseño para bajo ruido y micro-consumo en aplicaciones médicas (revisar publicaciones de los últimos años en [1]). Estos trabajos tienen en común la necesidad de realizar medidas de ruido u otras, precisas, a baja frecuencia. Hasta ahora la carencia de un laboratorio con equipamiento adecuado se había suplido con conjuntos limitados de medidas en cantidad y calidad ( en particular medidas de ruido sobre valores rms en banda pasante, sin medir densidad espectral de potencia (PSD) como seria deseable). Con ayuda del proyecto FCE592/2007 se mejoró la capacidad del laboratorio, mediante adquisición de un analizador de espectro de baja frecuencia y elementos complementarios. 1 - Descripción del laboratorio El laboratorio de medida de ruido a baja frecuencia consta de: Un espacio cerrado de aproximadamente 4m 2 (ver Fig.1(a)). Se construyó un cerrramiento metálico con la doble finalidad de: proveer un mejor aislamiento eléctrico para las medidas de bajo ruido mediante planchas metálicas conectadas a tierra; mantener los equipos adquiridos en un lugar seguro. Si bien no existieron los recursos, ni se juzgó estrictamente necesario implementar una Jaula de Faraday completa en el área destinada al laboratorio, el diseño es tal que la estructura metálica se puede ampliar para completar un cerramiento completo en el futuro. Instrumentos de laboratorio (ver Fig.1(b)). En el marco del proyecto se adquirió especialmente un analizador de espectro Stanford Research, SR785 de 100 khz (dynamic signal analyzer). Se trata de un analizador de espectro y señales de baja frecuencia, dos canales, DC hasta 100kHz, incluye múltiples modos de análisis y un sintetizador para caracterización de respuesta en frecuencia. Por detalles específicos de puede consultar la página del fabricante en [2]. Igualmente se utilizan en el laboratorio otros instrumentos disponibles como generador de señales, fuentes, osciloscopio de 4 canales, multímetro, etc. Una caja metálica, especialmente construida para el proyecto (indicada (B) en la Fig.1(b)), para aislación de ruido externo, con conectores BNC y otros de entrada/salida. Los circuitos integrados a medir se montan en circuitos impresos dentro de la caja metálica, y se sale hacia el analizador de espectro con el ruido amplificado y en baja impedancia. De esta forma se minimiza el impacto de acople por

2 ejemploi de 50Hz y armónicos de la red de distribución de energía eléctrica, fuentes conmutadas, etc. Diversos circuitos impresos diseñados y fabricados a medida para cada circuito a caracterizar. En la Fig.1(c) se muestra el interior de la caja metállica, con un circuito montado para caracterizar el amplificador de la referencia [3], alimentado a batería para minimizar la influencia de ruido de una fuente de alimentación externa. El circuito integrado en el centro del impreso fue diseñado, y fabircado en tecnología XC06 de XFab en el marco del proyecto. Figura 1(a) : Vista exterior del laboratorio de medida de ruido a baja frecuencia en el DIE. Una zona se delimita con plancas metálicas conectada a tierra para reducir la interferencia electromagnética y resguardar los equipos. Figura 1(b): Vista interior del laboratorio, mostrando los instrumentos: (A) analizador de espectro SR785, (B) caja metálica con conectores varios para mejor aislación de los circuitos bajo test (DUT), (C) y (D) generador de señales y osciloscopio de 4 canales ya existentes. A C D B Figura 1(c): Un circuito integrado con un amplificador de EEG [3] diseñado en el marco del proyecto, montado en un circuito impreso (PCB) específico, siendo medido dentro de la caja metálica de la Fig.1(b).

3 El SR785 es un equipo relativamente complejo en cuanto a su manejo, técnicas de procesamiento de la señal, unidades, etc. Una vez instalado el analizador de espectro se procedió a verificar el funcionamiento del mismo mediante señales periódicas, conocidas, de un generador de señales, y ruido térmico en resistencias. Igualmente se utilizó para medir el ruido en amplificadores operacionales comerciales. Un resumen de algunos resultados se presenta en la Tabla I. Se trata de el ruido medido y esperado (según la hoja de datos del fabricante) de tres operacionales: OP07, OP37, y AD8552. Por simplicidad se omiten los espectros obtenidos, el resultado corresponde a ruido térmico, por encima de la frecuencia corner para los OP07 y para el AD8552 para evitar el efecto de los picos de Autozero (AZ) en este operacional ). Existe una buena correspondencia entre los valores medidos y esperados, salvo en el caso del OP37 debido tal vez a un setup experimental defectuoso (fueron las primeras medidas) para un amplificador de muy bajo ruido esperado. Tabla I: Medidas ejemplo realizadas con el SR785: ruido a la entrada en amplificadores operacionales comerciales. Estimado Medido AD nv/ Hz 27 nv/ Hz OP07 10 nv/ Hz 12 nv/ Hz OP37 4 nv/ Hz 17 nv/ Hz

4 Medida de un amplificador de Miller fabricado en tecnología de 0.5micras. El laboratorio se utilizó para caracterizar algunos circuitos integrados comerciales, o ASICs diseñados en el grupo de trabajo. A modo de ejempolo mostramos la caracterización del amplificador de Miller (OPAMP de aquí en mas) descriptio en [4]. En la Figura 2 se muestra el esquemático del OPAMP. Se trata de un amplificador de Miller, en tecnología ON- Semiconductors de 0.5µm, fabricado a través del programa MOSIS [5]. Sobre la derecha debajo, el símbolo del amplificador. La resistencia de 42kΩ es externa, se ajusta para una corriente de polarización I Bias de 50µA. Los capacitores de 68µF son también externos, de tántalo, para filtrar ruido. El consumo de corriente se mide con una resistencia de 82Ω en serie con la batería de 3.3V, que se conecta a V DD. Para medir en un rango cómodo el ruido con el analizador SR785, se conecta el OPAMP en una configuración de amplificador inversor (x110), y se utiliza una segunda etapa amplificadora como en la Fig.3 con un amplifiador de instrumentación INA110 en ganancia x100. De esta forma la ganancia es alta y se sale en baja impedancia para evitar el ruido por acople de otras señales en el cable hacia el SR785. Debido a la ganancia relativamente elevada del INA110 fue necesario ajustar el offset en el esquema de la Fig.3 para evitar saturación. En la Fig.4 se muestra algunas fotografías del laboratorio durante la medida del circuito. V DD 82Ω V Bat =3.3V 42k I Bias = 50µA IN(-) IN(+) OUT 68µ 68µ GND Figura 2: Esquemático del amplificador de Miller de [4] medido. La resistencia de 42kΩ es externa, se ajusta para una corriente de polarización I Bias de 50µA. Los capacitores de 68µF son también externos, de tántalo, para filtrar ruido. Sobre la derecha, debajo, el símbolo del amplificador. Opamp

5 22k 200 Opamp INA110 x100 Salida al analizador Figura 3: Circuito para medida de offset y ruido, utilizando una configuración de ganancia 110, y un amplificador diferencial INA110 como segunda etapa. A Figura 4(a): Vista interior de la caja metálica para medida incluyendo: (A) el circuito integrado fabricado conectado mediante la técnica de wirewrap ; (B) un amplificador diferencial INA110 montado en PCB específico y alimentado a baterías. B Figura 4(b): Vista del laboratorio durante la medida. En la Fig. 5 se muestra la PSD a la salida obtenida con el SR785, para el amplificador de [3]. El espectro se mide a la salida del INA 110 en la Fig.3. Finalmente en la Tabla II se muestra un resumen de las características medidas. El amplificador fue alimentado con 3.3V ajustando la corriente de polarización a 50µA, un poco menor que la de las simulaciones en [4]. El ruido en

6 la tabla es total, integrando en la banda pasante de 100 a 5kHz, la PSD de la Figura 5: V RMS = 5k 100 ( f ) SV df. El offset medido corresponde a 1 sola muestra del circuito integrado. 1x10-5 Output Noise PSD - S Vout [V 2 /Hz] 1x10-6 1x10-7 1x10-8 1x10-9 1x Measured OPAMP noise k Frequency [Hz] Figura 5: PSD obtenida con el SR785, para el amplificador de [4]. El espectro se mide a la salida del INA 110 en la Fig.3. Como era de esperar domina claramente el ruido 1/f en el rango de frecuencias de interés Tabla II: Medidas del OPAMP de Miller de [4]. Estimado Medido Consumo de corriente 306µA 256µA Tensión de alimentación 3.3V 3.3V baja frecuencia (1) 65db --- Ancho de banda (caída 3db) (2) 50kHz >50kHz Ruido a la entrada (100-5kHz) 3.4µV RMS 3.9µV RMS Offset a la entrada (3) mv (1) En lazo abierto (2) En configuración ganancia 100 según el esquema de la Fig.3 (3) Offset a la entrada, medido para 1 sola muestra Conclusiones. Se ha descrito el laboratorio de medida para ruido a bajas frecuencias en el DIE, y mostrado ejemplos de medida en amplificadores comerciales y un ASIC. A pesar que la medida de ruido es una tarea compleja por las múltiples fuentes de interferencia, las mismas muestran un buen nivel de acuerdo con los valores esperados. En particular para el OPAMP descrito en [4], en la PSD resulta que domina el ruido de flicker como era esperado [4], con un ruido total medido de 3.9µV RMS frente a 3.4µV RM esperado.

7 Agradecimientos. Agradecemos a la ANII, Proy.FCE592/2007 por el apoyo financiero, al programa MOSIS [5] por la fabricación de los prototipos de [4]. Referencias: [1] Grupo de Investigación en micorlectrónica en la UCU, MicroDIE: [2] Analizador de espectro SR785, página del fabricante en: [3] "A Precision Autozero Amplifier for EEG Signals" G.Costa, M.Miguez, A.Arnaud, Proc. 23th Symposium on Integrated Circuits and Systems Design - SBCCI 10 - São Paulo, Brazil - Sep [4] "Amplificador de Miller de bajo consumo y bajo ruido" J.Osta, J.Suárez, M.Miguez, A.Arnaud, Proc.XV Workshop of iberchip - Buenos Aires, Argentina - Mar [5] Consorcio MOSIS: