вых

о

+[/

к 5 выводу

: 0,01 миф

10 кОм

Для пп 56 и 5е

1 кОм

/?н = 2,2 кОм

2N 2369

вых

т

%= +15В О

; 0,01 икЧ>

Рис. 11.38. Таймер 555.

и-мультивибратор, <, =0,693 + Су. *2=0,693/?дС7. Обозначения выводов: / - земля, г - триггер, 3 - выход, 4 - возврат, 5 - упрэсленяе, б - ворог, 7-разряд, в-£/il; б - одновибратор, <=t,IRyiC7; на рис. а справа-

- регулируемый источник напряжения постоянного тока (к пп. Б, в и Б, е).

ГЛАВА 12

Никакое рассмотрение ОУ не может считаться полным, если в нем не упоминаются шумы. Шум в широком смысле слова определяется как сигнал переменного тока, генерируемый случайным движением электрических зарядов. Можно достигнуть лучшего понимания шума, если рассмотреть различные типы шума, которые беспокоят пользователей ОУ. В усилительных устройствах могут возникать три типа шумов: шумы Джонсона (называется также тепловым шумом), шумы Шоттки (обычно называется дробовым шумом) и фликкер-шумы (или 1 ).

После изучения материалов этой главы и контрольных вопросов студент должен уметь: 1) определять шумы Джонсона, Шоттки и фликкер-шум; 2) указать три основных принципа экранирования; 3) сформулировать основной принцип организации надлежащего заземления; 4) выполнить лабораторные работы этой главы.

12.1. ШУМ ДЖОНСОНА (ТЕПЛОВОЙ ШУМ)

Тепловой шум вызван случайными движениями зарядов под влиянием тепловой энергии, получаемой из окружающей их среды. Частота шума изменяется случайно, а амплитуда npoj порциональна корню квадратному из температуры. Широкий спектр частот, содержащийся в шуме, вызван случайным д)зпже-нием зарядов, причем, чем выше температура, тем больше амплитуда случайных движений. Все материалы (проводники, полупроводники), имеющие свободные заряды, генерируют тепловой шум. Среднеквадратичное значение напряжения tchjiO вого шума на концах разомкнутого (омического сопротивления) резистора будет равно

Щ = 4кТт!, (12-1)

112.2. ШУМЫ ШОТТКИ Шум Шоттки, или дробовой шум, появляется вследствие гого, что носителями тока являются частицы - электроны. Шум Шоттки ассоциируется с полупроводниковы.ми материалами (которые включают многие композитные резисторы) и вакуумными лампами. Для того чтобы выяснить, как специфическая природа тока вызывает шум Шоттки, рассмотрим установившийся постоянный ток. Несмотря на то что средний ток установился. Число электронов, проходящих через отдельную точку в единицу времени, меняется случайно. Эти изменения вызывают шумовой ток, который накладывается на установившийся ток, измеряе-

мый в этой точке. Среднеквадратичное значение этого шумового Тока в полупроводнике будет

e=2qU,M, (12.2)

где - среднеквадратичное значение напряжения шума; А -

постоянная Больцмана (1,38-10 Дж/К), Т - температура в Кельвинах (°С + 273); Д/ - диапазон используемых частот (например, полоса пропускания усилителя). Заметим, что напряжение шума зависит не от частоты, а от полосы пропускания и пропорционально величине сопротивления. Это значит, что низкий уровень полного сопротивления и узкая полоса пропускания снижают шумовой эффект. Иными словами, если в схеме можно применять резистор в обратной связи сопротивлением 100 кОм и 1 МОм, то следует выбрать резистор 100 кОм. Кроме того, если требования к шумам высоки, то следует использовать схемы с минимально возможной шириной полосы пропускания.

Так как все компоненты усилителя, несущие заряды, генерируют эти шумы и усилитель усиливает все шумы на входе, то общий шум на выходе может быть значительным.

Пример 12.1. Вычислите эффективное значение напряжения шума, генерируемого проволочным резистором сопротивлением 100 кОм в случае, когда он должен быть подсоединен к устройству, имеющему полосу пропускания 10 Гц и работающему при комнатной температуре.

Решение. Проволочный резистор дает шумы, близкие к минимальным значе-ням теоретически получаемых шумов. Корень квадратный из среднеквадратичного значения дает эффективное значение шума:

ш. эфф = = -N/4 (1,38 (298) (100 кОм) (10 Гц) = 4,0558 мкВ.

Если резистор должен быть подключен между входом и землей ОУ, то-его шумы будут усиливаться вместе с любым сигналом. Пиковое значение на-иапряжение шума будет примерно в пять раз превышать эффективное значение.

ш^ист

Здесь q - суммарный входной шум; - среднеквадратичное значение

входного теплового шума; - среднеквадратичное значение шумового тока Шоттки; Рист - сопротивление источника сигнала на входе усилителя, т. е. сопротивление между входом и землей. Подставляя полученные выше значения, получим

ш. о = Vl.64 10- В -Ь 2 (25,3 пА) (100 кОм) = 5,4 мкВ (эфф)

Как и в случае тепловых шумов, использование в схеме возможно меньших значений сопротивлений резисторов уменьшает остроту задачи борьбы с шумами.

Первый каскад многокаскадного усилителя вносит наибольший вклад в шумы, так как для каждого последующего каскада значение входного сигнала возрастает. Для усилительных систем с низким уровнем шумов очень важно, чтобы первый каскад был очень мало зашумлен Полоса пропускания шума Af устройства или усилителя шире, чем разность между верхней и нижней 3 дБ-точками (/ср. в - /ср н). Если наклон частотной характеристики усилителя составляет 6 дБ/октава, то верхняя /ср. ш. в и нижняя /ср. ш. н частоты среза шума будут /ср. ш. в = 1,57/ср. в, /ср. ш. н = Up. в/1,57.

Это происходит вследствие того, что шумовая мощность генерируется в полосе между сопрягающими частотами.

12.3. ФЛИККЕР-ШУМ, ИЛИ (1Д)-ШУМ

Полагают, что причиной фликкер-шума в полупроводниках являются изменения скоростей электронов (или дырок), обусловленные дефектами полупроводникового материала. Фликкер-шум характерен для полупроводниковых материалов (которые используются для изготовления многих типов резисторов), но отсутствует в проволочных и изготовленных из металлических сплавов резисторах. Фликкер, шум называют также 1 -шумом, потому что он увеличивается с уменьшением часто-

где 1-среднеквадратичное значение шумового тока; q - заряд электрона (1,6-10-! Кл); Af - полоса пропускания устройства; /п. т - среднее значение постоянного тока рассматриваемого устройства или цепи (схемы). Следует обратить внимание на то, что шум Шоттки, как и тепловой шум, частотно независим. С уменьшением величины постоянного тока в полупроводнике также уменьшаются шумы Шоттки.

Пример 12.2. Ток смещения на биполярном входе ОУ составляет 200 нА. Рассчитайте входной шумовой ток и общее напряжение шума на входе, если сопротивление, указанное в примере 12.1, представляет собой сопротивление источника входного сигнала ОУ. AjF = 10 кГц.

Решение. Шумовой ток находится из выражения 1ш -\/2д1п.тAf и равен

V2 (1,6 10~) (2000 нА) (10 кГц) = 2,53 10~ А = 25,3 пА (эфф.). Общее эквивалентное напряжение шума с учетом обоих шумов, рассмотренных в примерах 12.1 и 12.2, запишется в виде

; ТЫ. Хотя фликкер-шум меняется при переходе от устройства к

I устройству, однако обычно он мало изменяется для устройств

; одного типа. Фликкер-шум,

[. кроме того, может быть изме-

; рен для заданного полупровод-

ника. На рис. 12.1 показана за- Р

вискмость фликкер-шума от

частоты. Единственный путь Частота

избежать фликкер-шума заключается в использовании Ри- Зависимость фликкер-шума

от частоты.

устройств, где ОН очень мал фликкер-шум; г-тепловой шум.

или которые работают на достаточно высоких частотах, при которых фликкер-шум незначителен.

12.4. ОТНОШЕНИЕ СИГНАЛ/ШУМ

Отношение сигнал/шум представляет собой отношение рабочего сигнала к существующему шуму. Если III - шум, а S - сигнал, то

Sbx/IIIbx - отношение сигнал/шум на входе, 5вых/Швых - отношение сигнал/шум на выходе.

12.5. КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА И ШУМ-ФАКТОР

Шум-фактор определяют так:

1 Кш (дБ) = 10 Ig [5вх/Швх)мощн/(5вь,х/Швых)мощн].

Ш Если Sbx/Швх == Ввых/Швых, то фактор шума будет равен нулю (коэффициент шума равен 1). Коэффициент шума показывает, как много шумов вносит данное устройство или усилитель. Всегда желательно иметь низкий коэффициент шума. Однако достижение наименьшего коэффициента шума может не обеспечить наибольшего значения отношения сигнала к шуму на выходе.

Пример 12.3. К инвертирующему усилителю подается сигнал от источника напряжения с внутренним полным сопротивлением R ct = 5 кОм. Коэффициент усиления ОУ с обратной связью равен 20, и сопротивление его нагрузки параллельно с Ro. с составляет 9,09 кОм. Полоса пропускания усилителя 1 МГц. Эквивалентный входной шум^)) ОУ составляет по каталогу 24 мкВ (эфф.). Общие шумы источника сигнала составляют £, . ист = 11,3 мкВ (эфф.), а напряжение входного сигнала fox = 200 мкВ (эфф.). Выч-ислите шум-фактор Для этого усилителя.

Коэффициент шума - величина (8вх/Швх)/(8вых/Шиых), а шум-фактор- та же величина, выраженная в децибелах (по мощности). - Прим. ред.

> В отечественной литературе принят термин шум, приведенный по входу . - Прим. ред.

т, , <вь.х/( иИо.с) 34.1 пВт

Шум-фактор равен

= 51,6.

к вх/Швх 313,26

= ° 8вь.х/Шв.х = ° -51: =

12.6. НАВОДКИ

Так как наводки представляют собой источник нежелательных сигналов, то они могут быть причислены к шумам. Зашита от наводок может быть достигнута за счет надлежащего заземления, тщательного расположения монтажа и экранирования. Задача надлежащего экранирования может оказаться достаточно сложной, но может быть сведена к трем простым принципам (которым отнюдь не просто следовать): 1) проводник экрана должен быть присоединен к нулю опорного напряжения сигнала (земле сигнала) только один раз 2) экран и земля сигнала должны быть заземлены у источника питания в одной и той же физической точке; 3) все проводники, несущие сигнал, должны быть помещены в экран.

Надлежащий монтаж должен исключать чрезмерную сгущенность, длинные пути прохождения сигнала с экраном или без него, не необходимые перекрещивания проводов. Другими словами, следуйте хорошему конструкторскому опыту.

При экранировании низкочастотных помех в ближнем иоле. При экранировании радиопомех заземление лучше подобрать экспериментально.- Прим. ред.

Решение Вначале вычислим отношение мощностей сигнал/шум на входе: У (200мкB)/5кOм 8 пВт

Швх £ш. ст/в„.ист (П.ЗмкВ)75кОм 0,026 пВт

Теперь подсчитаем отношение сигнал/шум на выходе. Имеем вых = мВ = 4 мВ.

В. соответствии с принятой схемой приведения шума ко входу для инвертирующего усилителя справедливо

/о.с.ш = о.с[(1 + о.с)/о.с1-

Если /?о.с= 100 кОм и л, =5 кОм, то /Со.с.ш = 20 (105 кОм/100 кОм) = 21.

Таким образом Е^ = К^. с. ш.-ш. вх. с о ш. вх. о= л/ш. вх + ист =

=V(24 мкВ)2 -Ь (11,3 мкВ)2=л/7,04-10 = 26,5 мкВ; £ш.вых=21 (26,5 мкВ)= = 557,1 мкВ.

Отношение мощностей сигиал/шум на выходе составит вых вых /(и|о.с) 1,76 нВт

12.7. ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Непродуманное заземление, как правило, приводит к восприятию схемой нежелательных сигналов. Сформулировать принцип надлежащего заземления нетрудно, но иногда следовать этому принципу тяжело. Этот принцип можно сформулировать так: заземление, по которому течет ток нагрузки к источ-

Рис. 12.2. Правильная схема заземления. а .и б (в кружках) - провода заземления, по которым течет малый ток; В и Г (в кружках) - провода заземления, по которым течет большой ток; 3 - заземляемый

нику питания, должно осуществляться отдельным проводом, а не объединяться с проводом земли сигнала.

На рис. 12.2 показан пример реализации этого принципа. Смысл такого заземления заключается в том, что часто ток нагрузки во много раз больше тока сигнала. Ток нагрузки, протекая даже через провода достаточно большого сечения, может вызвать падение напряжения (IR) на линии заземления. Это вызовет изменение напряжения на линиях опорного напряжения каждого ОУ, присоединенного к этой линии заземления. В экстремальных случаях это изменение потенциала может составить несколько милливольт и может служить источником значительной погрешности.

I. Шум представляет собой нежелательный сигнал. Большинство шумов нш-рокополосно. Это означает, что они содержат широкий спектр частот. Шумы вызываются случайными движениями зарядов в полупроводниках и рези-

сторах или наводками. Независимо от характера источника шумы маскируют малые входные сигналы и вызывают неопределенность выходного сигнала. Поэтому следует стремиться минимизировать их влияние в рассматриваемой схеме.

2. Три главных источника шумов в схемах составляют: шум Джонсона (также называется тепловым шумом), фликкер-шум и шум Шоттки. Они минимизируются за счет применения малошумящих компонент, по возможности низких значений сопротивлений в схеме, низких токов и уменьшения полосы пропускания там, где это допустимо.

3. Наводки - главный источник внешних шумов. Их можно минимизировать за счет тщательного экранирования.

4. Если схемы тщательно не заземлены, то можно наблюдать в них связь выходного сигнала со входным. Шины заземления, через которые проходят большие токи, должны прокладываться проводами, отдельными от тех, которые использованы для земли сигнала.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

12.1. Назовите источник шума Джонсона.

12.2. Назовите источник шума Шоттки.

12.3. Опишите зависимость от частоты фликкер-шума.

12.4. Определите отношение сигнал/шум.

12.5. Дайте определение коэффициента шума и шум-фактора.

12.6. Назовите три мероприятия, которые могут быть использованы для минимизации наводок.

12.7. Сформулируйте главный принцип организации надлежащего заземления.

12.8. Резистор с сопротивлением 10 кОм при комнатной температуре (25°С) включен в схему с полосой пропускания 100 кГц. Вычислите среднеквадратичное значение напряжения шума.

12.9. Операционный усилитель имеет ток смещения 50 иА и ширину полосы пропускания 100 кГц. Вычислите среднеквадратичное значение шумового тока.

12.10. Вычислите общее напряжение шума для условий пп. 12.8 и 12.9, если сопротивление источника сигнала 10 кОм.

12.11. Укажите три мероприятия, которые могут быть проведены для минимизации шума.

Если возникнут затруднения при ответах на некоторые вопросы, то просмотрите еще раз соответствующие разделы текста.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цель работы. Студент должен измерить коэффициент шума ОУ.

Оборудование: 1. Два ОУ цА741 фирмы Fairchild или их аналоги. 2. Набор резисторов с точностью ±2 %. 3. Источник питания ±15 В. 4. Генератор звуковых частот. 5. Потенциометр 10 кОм. 6. Осциллограф двухлучевой (с чередующимся переключением входных каналов). 7. Макетная плата, например типа SK-10 EL Instruments.

Порядок выполнения работы. Известны несколько способов нзмерепня коэффициента шума усилительной схемы. Многие методы предполагают использование калиброванного источника шума в качестве входного сигнала, причем входной сигнал должен содержать все частоты в полосе пропускания усилителя. Так как шум сам по себе широкополосен, генератор шума удовлетворяет этому требованию.

Напряжение шума обычно измеряется с помощью дорогостоящего вольтметра, измеряющего истинное эффективное (среднеквадратичное) значение с исключительно высокой точностью. Для получения средней точности результатов измерения будет использован осциллограф и так называемый метод ка-

сания. Этот метод позволяет измерить шум с точностью примерно 1 дБ. Непосредственное считывание шумов с осциллограммы не точно, так как случайные пики значительно выше, чем их видимое изображение на экране осциллографа.

Метод касания (рис. 12.3) заключается в следующем: 1. Подсоедините оба входа двухканального осциллографа к источнику напряжения шума, подлежащего измерению. Следует использовать щуп 1:1. Включите осциллограф в режим переключения каналов. Оба канала должны быть

Рис. 12.3. Метод касания при измерении напряжения шума, о - подсоединение осциллографа. У - испытуемый усилитель, Осц. - двухлучевой осциллограф (с переключением каналов); б -осцилло' грамма с шумом; в - осциллограмма, смещенная до касания иапря-х^ения шумов; г - осциллограмма при заземленных входах.

установлены в одном диапазоне измерения напряжения и одинаково калиброваны. Если необходим и имеется в распоряжении усилитель отклонения по вертикали, то используйте его для этой цели.

2. Установите, как это показаью на рис. 12.3, в, картинки напряжения шума так, чтобы они касались друг друга и между ними не было чистой поверхности экрана.

3. Заземлите щупы осциллоскопа, чтобы увидеть развертки без шума. Расстояние между двумя развертками будет равно удвоенному значению эффективного напряжения шума. Например, если развертки раздвинуты на 1,6 деления и осциллограф калиброван так, что на одно деление приходится 20 мВ, то эффективное напряжение шума будет

: ш. эфф = П.6 (20 мВ/дел.)]/2 = 16 мВ.

Многие методы измереьшя коэффициента шума основаны на использовании калиброванного источника шума. Он дает шуловой сигнал с частотным спектром, заведомо перекрывающим ширину полосы пропускания усилителя. Так как немногие учебные заведения имеют калиброванные генераторы шума.

-о

о

а

/?, i 10 кОм /?о.с= 1 МОм

Ск = 10 пФ

76 Ом

10 кОм

т

0,001 мкФ

аых ± Сн 9 0,001 пФ X

Рис. 12.4. Измерение коэффициента шума, о -генератор сигналов. 3 - заземляемый вывод. U - выходное напряжение, подводимое к исследуемой схеме; б -схема включения усилителя (для пп. 2, а и 2,6).

Сд-слюдяной конденсатор; в -схема включения (для п. 2, в).