Прецизионные схемы и малошумящая аппаратира

биполярные транзисторы. Согласно паспортным данным, она рассчитана только на диапазон тока стока от 100 до 400 мкА (рис. 7.38),

10 10=

Рис. 7.37. Полное напряжение входного шума усилителя на биполярном транзисторе LM394 при различных условиях в сравнении с ПТ с р-п-переходом 2N6483, Монолитная согласованная пара прп-биполяриых транзисторов LM394 при 1 кГц и 1=

= 1 мкА-г-Ю мА.

Ю* 10 Ю' 10*

R, Ом

Рис. 7.38. Полное напряжение входного шума е^ для ПТ с р-п-переходом 2N6483 в сравнении с биполярным транзистором LM394.

Монолитная согласованная пара ПТ с р-п-переходом 2N6484 при 1 кГц и /г =100-400 мкА, l/C3 = 2-f-25 В

Кто же победитель? Решение оказывается двойственным. Полевой транзистор набирает очки по минимизации коэффициента шума КШ(/?ш), достигая феноменального значения 0,05 дБ и держась нам-

*) г. Отт в своей книге (см. доп. список в предисловии и литературу к данной главе) справедливо критикует коэффициент шума как параметр, по которому стоит вести проектирование, указывая на его обманчивость,- Прим. ред.

ного ниже 0,2 дБ при полном сопротивлении источника от 100 кОм до 100 МОм. В области'больших сопротивлений источника ПТ непобгди-мы. Биполярные транзисторы действуют лучше при малых сопротивлениях источника, в частности меньших 5 кОм, и могут достигать 0,3 дБ КШ при jRh = 1 кОм при соответствующем выборе тока коллектора. Для сравнения: ПТ имеют КШ при сопротивлении источника 1 кОм не лучше 2 дБ из-за большего шума напряжения e\

Малое полное сопротивление источника. Биполярно-транзисторные усилители могут обеспечить очень хорошие шумовые параметры в диапазоне полного сопротивления источника от 200 Ом до 1 МОм; соответствующий ток коллектора лежит обычно в диапазоне от нескольких миллиампер до 1 мкА, т. е. токи коллектора, используемые во входном каскаде малошумящего усилителя, несколько меньше, вообще говоря, чем в не оптимизированных по уровню шума каскадах усилителя.

При очень малых полных сопротивлениях источника (например, 50 Ом) всегда будет преобладать шум напряжения транзистора и коэффициент шума будет неудовлетворительным. В этом случае лучше всего использовать трансформатор для увеличения уровня (и сопротивления источника) сигнала, рассматривая сигнал на вторичной обмотке как сигнал источника. Высококачественные преобразователи сигнала выпускаются фирмами James и Princeton Applied Research. Например, выпускаемая последней фирмой модель ПТ-предусилителя 116 имеет наименьший коэффициент шума при полном сопротивлении источника сигнала ~1 МОм. Сигналы частоты 1 кГц с полным сопротивлением источника Порядка 100 Ом плохо согласуются с таким усилителем, поскольку шум напряжения усилителя будет намного больше теплового шума источника сигнала; в результате, если такой сигнал подать прямо на усилитель, коэффициент шума будет равен И дБ. Если же использовать встроенный (необязательный) повышающий трансформатор, то уровень сигнала повышается вместе с полным сопротивлением источника, превышая шум напряжения усилителя, и коэффициент шума становится равным 1,0 дБ.

На радиочастотах, начиная к примеру, приблизительно от 100 кГц, хороший трансформатор сделать легко как для настраиваемых (узкополосных), так и для широкополосных сигналов. При таких частотах легко построить трансфор.маторную линию передачи с широкой полосой частот и очень хорошими параметрами. Некоторые способы для этого мы рассмотрим в гл. 13, т. 2. А вот на низких частотах (звуковые и ниже) применение трансформаторов проблематично.

Три замечания: (а) Напряжение растет пропорционально отношению числа витков в обмотках, а полное сопротивление - пропорционально квадрату этого отношения. Поэтому выходное полное сопротивление

трансформатора, повышающего напряжение в два раза, превосходит входное полное сопротивление в четыре раза (за счет запасания энергии), (б) Трансформаторы несовершенны. При низких частотах сигнала Может доставить хлопоты магнитное насыщение, при высоких - емкость и индуктивность обмоток, и всегда есть потери из-за магнитных свойств сердечника и сопротивления обмоток. Это сопротивление к тому же является источником теплового шума. Тем не менее при работе с источником сигнала, имеющим малое полное сопротивление, выбора у вас нет, а применение трансформатора, как показывают рассмотренные примеры, дает огромный выигрыш. Для улучшения режима работы с малым уровнем сигнала и малым сопротивлением его источника можно применять и экзотическую аппаратуру вроде охлаждаемых трансформаторов, сверхпроводящих трансформаторов, а также СКИП (Сверхпроводящие Квантовые Интерференционные Приборы)С помощью СКИПов можно измерять напряжения порядка 10 5 В! (в) Снова предупреждаем: не пытайтесь улучшать режим работы, добавляя последовательный резистор к источнику сигнала с малым полным сопротивлением! Вы просто окажетесь очередной жертвой распространенного заблуждения насчет коэффициента шума.

Большое сопроти-вленае источника. При больших значениях сопротивления источника, превышающих, скажем, 100 кОм, преобладает шум тока транзистора, поэтому лучшим устройством для усиления с малыми шумами будет ПТ. Хотя у него шум напряжения обычно больше, чем у биполярного транзистора, но ток затвора и его шум ис-чезающе малы, поэтому

ПТ являются идеальными устройствами для усилителей, работающих с Источником сигнала с большим полным сопротивлением и дающих малый шум. В связи с этим иногда полезно трактовать тепловой шум как шум тока i=ujRyi. Это позволяет сравнивать вклад шума источника и шума тока усилителя (рис. 7.39).

# Ю' 10 Сопротивление, Ом

Рис. 7.39. Зависимость плотности напряжения теИ-ловогошума от сопротивления при температуре25°С. Показана также плотность тока шума закороченной эквивалентной схемы. (National Semiconductor Corp.)

> SQUID (Superconducting quantum interlerence devices).- Прим. перев.

7.14. Шум ПТ

Для ПТ можно воспользоваться той же моделью шума усилителя, что и для биполярного транзистора, т. е. последовательно со входом соединить источник шума напряжения и параллельно присоединить источник шума тока. При этом анализировать шумовые параметры можно так же, как это делалось для биполярных транзисторов (см., например, рис. 7.38 в разделе, посвяш,енном сравнению ПТ и биполярных транзисторов).

Шум напряжения ПТ с р-п-переходом. Для ПТ с /? - га-переходом шум напряжения есть, в сущности, тепловой шум сопротивления 1 канала, который дается формулой 4 = 4Ar[Vs(l/gJ] Bvru.

где величина, обратная крутизне, играет роль сопротивления в формуле теплового шума. Поскольку крутизна растет вместе с током стока, для снижения шума напряжения имеет смысл, чтобы ПТ работали с большим током, кроме того, имеется некоторый фликкер-шум, связанный с током утечки затвора.

Выбирая большой ток стока для минимизации шума напряжения в ПТ-усилителях, следует, однако, помнить, что могут ухудшиться

другие режимные параметры. В частности, такие параметры, как дрейф сдвига напряжения, КОСС и коэффициент усиления по напряжению ухудшаются с ростом тока стока. Очевидно, что следует искать компромисс.

МОП-транзисторы обычно имеют намного большие значения шума напряжения, чем ПТ с р-п-переходом, причем преобладает шум 1 , поскольку спад 1 лежит у них в ди-

апазоне достаточно высоких частот:

1 10 10 10 # от 10 до 100 кГц. По этой причине Нгаечка мтвора.лЛ - МОП-транзисторы обычно не ис-Рнс. 7.40. Зависимость входного тока пользуются В малОШумящих усили-шума от тока утечки затвора для ПТ с телях на частотах, меньших 1 МГц. р- -переходом. (National Semiconduo

tor Corp.) Шум тока ПТ с р-п-пере-

ХОдом. При низких частотах шум тока г'ш крайне мал - он возникает из дробового шума тока утечки затвора (рис. 7.40):

С ФФ = (3.2-10- /зухВ)/А.

Кроме того, в некоторых ПТ присутствует шумовая компонента фликкер-эффекта. Шум тока растет с ростом температуры, как ток утечки

*> Точнее - динамического сопротивления истока,- Прим, ред.

Прецизионные схемы и малошумящая аппарапщрй 475

затвора. Обратите внимание на быстрый рост утечки затвора у п-канального ПТ с р-л-переходом, Koropfjiu имеет место при больших значениях f/сз (см. разд. 6.09).

На средних и высоких частотах есть еще одна компонента шума, а именно действительная часть входного полного сопротивления со стороны затвора, Эта составляющая обусловлена действием емкости обратной связи (эффектМиллера), когда существует сдвиг фазы на выходе, порожденный емкостью нагрузки; иначе говоря, часть выходного сигнала, сдвинутая по фазе на 90°, проходя через емкость обратной связи t/зс, создает эффективное сопротивление на входе, равное

;? = (1 +соСн/?н)/(о>=& СзсСн^??1) Ом.

Например, р-канальный ПТ с р-я-переходом 2N5266 имеет ток шума 0,005 пА/Гц и напряжение шума 8,112 нВ/Гц - то и другое за счет /з ут и на частоте 10 кГц. Ток шума начинает ползти вверх при частоте около 50 Гц. Эти цифры примерно в 100 раз лучше по , и в 5 раз хуже по бщ, чем соответствующие значения рассмотренного ранее 2N4250.

С помощью ПТ можно достичь хороших шумовых параметров в диапазоне полного сопротивления от 10 кОм до 100 МОм. Предусилитель модели 116 имеет коэффициент шума 1 дБ и лучше при полном сопротивлении источника от 5 кОм до 10 МОм в диапазоне частот от 1 до 10 кГц. Этот предусилитель на умеренных частотах имеет напряжение шумов 4 нВ/Гц и ток шумов 0,013 пА/Гц.

7.15. Выбор малошумящих транзисторов

Как упоминалось раньше, биполярные транзисторы благодаря их малому входному шуму напряжения имеют наилучшие шумовые параметры при малых значениях сопротивления источника. Шум напряжения йц, уменьшается за счет выбора транзистора с малым объемным сопротивлением базы rg и за счет работы при большом токе коллектора (пока /121Э остается большим). При больших сопротивлениях источников надо, наоборот, уменьшать шум тока путем снижения тока коллектора.

При большом сопротивлении источника лучшим выбором является ПТ. Его шум напряжения может быть уменьшен увеличением тока стока, когда прямое прохождение будет наибольшим. ПТ, предназначенные для работы в малошумящих устройствах, имеют большое значение k (см. разд. 6.04), что означает большую входную емкость. Например, у малошумящего 2N6483 емкость Сзи=20 пФ, а у слаботочного 2N5902 ПТ емкость Сзи=2 пФ.

На рис. 7.41 и 7.42 показаны сравнительные шумовые характери-стики некоторых распространенных и широко используемых транзисторов.

Глаеа 7

-LM394, LMI14, 2N4\Z4

2N4250

N6483 (ПТ)

/2N4Z50

ZN4124-LM394 J I L

1 ID 10 10 ToK коллектора, mkA

10-11 1=

LMI]5 LM394

2M4124v 2N4250 Ч,

2М2484

LM394, LM115 (сдвоенные)

1 10 to- 10 ш * Ток коллектора, шк

10- 10-2

2N4124 7к = 1мЛ

2N4250 /к=1мА

LM394 /k=10wA

Ю' )0 Частота, Ги

Рис. 7.41. Входные шумы некоторых популярных биполярных транзисторов.

а - зависимость входного напряжения шума ejj от тока коллектора; б - зависимость входного тока шума от тока коллектора, в - записимость тока входного шума от частоты.

г 2NS954-8, 2N5196-9,2N5452-4,2NS045-T, Ю КГц

2N5902-9

10 кГц 2N5515-24, Z2N6483-5 10

2N6483-5 to КГц 1Ш34 ЮкГц (биполярный)

103 10

Тс, тК

МОП-транзисщор

-ZN5902-9

LM394 /k=1mK\ 2N5432-34 (биполярный)

2N6483-5,ZN5515-24 1мА

Ш 10 IQ-I

Частота, Fi

Рис. 7.42. Входные шумы некоторых популярных ПТ.

ii - зависимость входного напряжения шума (fjjj) от тока стока Iq ; б- зависимость входного напряжения шума от частоты; в - зависимость входного тока luyMai от частоты

LM394 /к=1мкА

, 2N3954-8,2N5452-4, 2N55l5-24 Ш *!- 2N3684-7 1 мА О'ь

т

2М5902-Э, 5 МКА

10* 10 Частота, Гц

2(5902-9 50,мкА

7.16. Шум дифференциальных усилителей и усилителей с обратной связью

Малошумящие усилители часто делаются дифференциальными для получения обычных преимуществ в виде малого дрейфа и хорошего подавления синфазных сигналов. Когда подсчитываются шумовые характеристики дифференциального усилителя, надо помнить: а) следует брать отдельно коллекторные токи, а не их суммы для извлечения из данных изготовителя и i; б) i, приходящееся на каждый входной контакт, будет то же самое, что и для одновходового усилителя; в) бщ, приходящееся на один вход при заземленном другом, будет на 3 дБ (т. е. в 1,414 раза) больше, чем в случае отдельного транзистора.

В усилителях с обратной связью мы хотим найти эквивалентные источники шума и независимо от наличия петли обратной связи, чтобы их можно было использовать, как и раньше, при подсчете шумовых характеристик с заданным источником сигнала. Обозначим шумы схемы с обратной связью через и (у как шумы усилителя. Тогда весь шум усилителя при сопротивлении источника будет

e = el + {Ri,r BVrn.

Рассмотрим два вида обратной связи отдельно.

Неинвертирующий усилитель. Для неинвертирующего усилителя (рис. 7.43) источники шума на входе будут такими:

4=eL+4г^?и^-(lш/?ll)

где йц, - это полный шум дифференциальной схемы, т. е. на 3 дБ больший, чем для одиночного транзисторного каскада. Дополнительный вклад в шум дают тепловой шум и шум тока входного каскада в резисторах обратной связи. Заметим,

что теперь эффективное напряжение

Рис. 7.43.

Рис, 7.44.

шума и шум тока не будут абсолютно не коррелированными, поэтому сложение их квадратов может привести к ошибке (не более чем в 1,4 раза).

Для повторителя /?2=0. поэтому эквивалентный источник шума будет таким же, как у отдельного дифференциального усилителя.

ПрЩйэионнЬ/е ШМа и малошумящая аппаратура

Инвертирующий усилитель. Для инвертирующего усилителя (рис. 7.44) источник входного шума будет равен

= + R\ (+ Ш/R = еу + RlPy.

График для выбора ОУ. Сейчас вы уже владеете всем необходимым аппаратом для расчета входных цепей ОУ. Их шум задается в ви-

10 10 Частота, Гц

to -

LM394;k=lMKA(m)ai зистор)

10 102-g Частота, Ги,

Рис. 7.45. Входные шумы некоторых популярных ОУ.

а - зависимость входного напряжения шума от частоты; б => зависимость входного тока шук ш от частоты.

де и г'ш как для транзисторных, так и для ПТ-устройств. Однако вам ничего не надо выдумывать - вам надо действовать. Вообще говоря, паспортные данные иногда несколько пикантны. Так, HanpnNiep, импульсный шум (popcorn noise) определяется как скачки сдвига в

случайные моменты случайной длительности. Этот термин в приличном обществе употреблять не принято . На рис. 7.45 собраны шумовые характеристики нескольких популярных ОУ.

а

IP 11

Широкополосный шум.

Операционные схемы обычно имеют связь по постоянному току, и область их рабочих частот простирается до некоторой верхней граничной частоты /..р. Поэтому

жение шума во всей этой полосе, а не просто плотность мощности

Верхняя частота,Гц

Рис. 7.46. Напряжение широкополосного й,и^я*Напир^у'дкппрпяп^ шума некоторых популярных ОУ. У - Р представле-

ны графики, показывающие среднеквадратичное напряжение шума в полосе, простирающейся от постоянного тока до указанной частоты; они найдены путем интегрирования кривых мощности шума для различных операционных усилителей.

ИЗМЕРЕНИЕ ШУМА И ИСТОЧНИКИ ШУЛи

Определение эквивалентного напряжения шума, тока шума, а отсюда и коэффициента шума и отношения сигнал/шум для любого заданного источника - это довольно примитивный процесс. Из него получаются все данные о шуме усилителя, которые могут вам понадобиться. В основном этот процесс состоит в приложении к входу известного шумового сигнала, а затем - измерении амплитуды на выходе в определенной полосе частот. В некоторых случаях (например, при согласованном входном полном сопротивлении устройства, как это бывает в радиочастотных усилителях) источник сигнала можно заменить генератором с точно известной и управляемой- амплитудой колебаний.

1 Имеется в виду рорсогп nois - шум жарящихся кукурузных зерен. На самом деле этот жаргонный термин широко используется в литературе. Замечу, что авторы используют во всей книге общепринятый в англоязычной литературе термин boot-straps (следящая связь), а это дословно- привязанная подошва (к рваному ботинку). Чем рорсогп хуже bootstrap - непонятно,- Прим. ред.