7.14. Проектування малошумливих схем на біполярних транзисторах
Факт, що падає, а зростає з ростом струму, дає можливість оптимізувати робочий струм транзистора для отримання мінімального шуму при даному джерелі сигналу. Знову поглянемо на модель (рис. 7.46). «Безшумний» джерело сигналу має добавку у вигляді генератора напруги шуму (теплового шуму його внутрішнього опору). Підсилювач додає сюди свій власний шум:
Таким чином, напруга шуму підсилювача додається до вхідного сигналу і крім того шум струму підсилювача породжує шум напруги на внутрішньому опорі джерела. Ці два шуму не корельовані (за винятком дуже високих частот) і їх квадрати складаються. Наша мета - якомога сильніше зменшити загальний шум підсилювача. Це легко зробити, якщо відомо, так як досить подивитися на залежність від на частотах сигналу і вибрати, яке мінімізує.
Якщо вам пощастило і у вас є карта ліній рівня коефіцієнта шуму на поле, то ви швидко зможете визначити оптимальне значення.
Приклад розрахунку коефіцієнта шуму.
Для прикладу припустимо, що у нас є малий сигнал з частотою близько, опором джерела близько 10 кОм і ми хочемо побудувати підсилювач на базі. З кривих (рис. 7.47) можна бачити, що сума вкладів напруги і струму (при опорі джерела 10 кОм) буде мінімальною при струмі колектора. Так як зі зменшенням шум струму падає швидше, ніж зростає шум напруги, розумно використовувати дещо менший струм колектора, особливо якщо передбачається робота на більш низьких частотах різко зростає при зменшенні частоти). Можна незалежно оцінити коефіцієнт шуму, використовуючи значення на частоті:
При для опору джерела 10 кОм; обчислений таким чином коефіцієнт шуму дорівнює 0,6 дБ. Цей результат збігається з графіком залежності КШ від частоти (рис. 7.48) при виборі кривої.
Мал. 7.47. Лінії рівня коефіцієнта вузькосмугового шуму для транзистора, ширина смуги 150 Гц.
Мал. 7.48. Залежність коефіцієнта шуму (КШ) від частоти для трьох значень у транзистора кОм.
Зазначений вибір колекторного струму приблизно збігається також з результатом, який можна було б отримати з графіка рис. 7.47 (лінії рівня коефіцієнта шуму при частоті), хоча реальний коефіцієнт шуму по цих лініях оцінити важко - можна тільки сказати, що він менше 2 дБ.
Вправа 7.5. Знайдіть оптимальне значення і відповідний коефіцієнт шуму при кому й, використовуючи графік на рис. 7.43. Перевірте відповідь по кривим ліній рівня коефіцієнта шуму (рис. 7.47).
Для інших схем підсилювача (повторювач, підсилювач з заземленою базою) коефіцієнт шуму при даних і буде по суті той же самий, оскільки не змінюються. Звичайно, підсилювач з одиничним коефіцієнтом посилення (повторювач) просто «передає» проблеми зменшення шуму наступного каскаду, так як сигнал не буде посилена до такої міри, яка дозволяє не думати про зниження шумів в наступних каскадах.
Графічний метод оцінки шуму підсилювача.
Тільки що представлена техніка розрахунку шумів, хоча і веде безпосередньо до отримання результату, проте не виключає можливості появи в процесі проектування жахливих помилок. Досить, наприклад, поставити нема на то місце постійну Больцмана, і ми раптом отримуємо підсилювач з коефіцієнтом шуму 10000 дБ!
У цій справі ми опишемо дуже корисну спрощену техніку оцінки шуму.
Метод полягає в тому, що спочатку вибирається цікавить нас частота, щоб можна було вибрати з паспортних даних транзистора значення в залежності від. Потім при заданому струмі будується графік залежності (як суми вкладів в шум) від опору джерела. На рис. 7.49 показано, як він виглядає при частоті для диференціального вхідного каскаду, що використовує узгоджену транзисторную пару з надвисоким р, що працює при коллекторном струмі. Шум напруги постійний, а напруга зростає пропорційно, т. Е. З нахилом 45 °. Лінія шуму підсилювача будується так, як показано на малюнку, треба причому ретельно стежити за тим, щоб вона проходила через точку на 3 дБ (відношення напруг близько 1,4) вище точки перетину окремо збудованих ліній шуму напруги і струму. Крім того, будується лінія напруги шуму опору джерела, яка виявляється лінією рівня коефіцієнта шуму 3 дБ. Інші лінії рівня КШ - це прямі, їй паралельні, як незабаром буде показано на прикладах.
Найкращий коефіцієнт шуму (0,2 дБ) при цьому коллекторном струмі і цій частоті спостерігається при опорі джерела 15 кОм, і легко бачити, що коефіцієнт шуму менше 3 дБ буде при опорі джерела між 300 Ом і точки, в яких лінія рівня коефіцієнта шуму 3 дБ перетинає графік шуму підсилювача.
Мал. 7.49. Залежність напруги вхідного шуму підсилювача як суми параметрів від опору джерела сигналу. Шум для вхідного каскаду на частоті при.
Наступний крок - побудова інших кривих шуму на тому ж графіку при різних токах колектора і частотах, а можливо і для інших типів транзисторів, з метою оцінки параметрів підсилювача. Перед тим як рухатися в цьому напрямку далі, покажемо, як можна до одного і того ж підсилювача застосовувати два різних параметра, що характеризують шум: шумове опір і коефіцієнт шуму КШ (при), які обидва виходять безпосередньо з графіків.
Шумове опір.
Найменший коефіцієнт шуму в цьому прикладі виходить, коли опір джерела 15 кОм, що дорівнює відношенню. Так визначається шумове опір. Коефіцієнт шуму джерела з таким опором знаходиться з наведеного раніше виразу:
Шумове опір не існує реально в транзисторі або десь ще.
Мал. 7.50. Повна напруга вхідного шуму підсилювача на біполярному транзисторі при різних умовах в порівнянні з ПТ с. Монолітна узгоджену пару -біполярні транзисторів при.
Це параметр, який допомагає швидко визначити опір джерела, що дає мінімальний коефіцієнт шуму, так що в ідеалі треба міняти струм колектора таким чином, щоб підігнати якомога ближче до реального опору джерела. відповідає точці, в якій перетинаються графіки.
Коефіцієнт шуму для опору джерела, рівного, знаходиться за наведеною вище формулою.
Альтернатива: біполярний транзистор або ПВ.
Давайте пограємо з цією методикою. Постійним яблуком розбрату серед інженерів є питання про те, що «краще»: біполярні та польові транзистори? Ми покірно надамо рішення цього питання єдиноборства кращих представників двох змагаються сторін. Ми дозволимо в інтересах чесної боротьби битися двом командам National Semiconductor, вибравши двох единоборцев.
Отже, в біполярному кутку - чудовий монолітний - узгоджену пару з надвисоким (- вже готовий до змагань (див. Вище). Він працює на частоті з струмом колектора від до (рис. 7.50).
Команда ПТ представлена монолітної парою узгоджених -Канальний ПТ, знаменитої своїм приголомшливо низьким рівнем шумів і перевершує, як прийнято вважати, за цими параметрами біполярні транзистори. Згідно з паспортними даними, вона розрахована тільки на діапазон струму стоку від 100 до (рис. 7.51).
Мал. 7.51. Повна напруга вхідного шуму для ПТ з порівняно з біполярним транзистором. Монолітна узгоджену пару -Канальний ПТ з прі.
Хто ж переможець?
Рішення виявляється двоїстим. Польовий транзистор набирає очки по мінімізації коефіцієнта шуму, досягаючи феноменального значення 0,05 дБ і тримаючись набагато нижче 0,2 дБ при повному опорі джерела від 100 кОм до. В області великих опорів джерела ПТ непереможні. Біполярні транзистори випереджають при малих опорах джерела, зокрема менших 5 кОм, і можуть досягати 0,3 дБ КШ при кОм при відповідному виборі струму колектора. Для порівняння: ПТ мають КШ при опорі джерела 1 кОм чи не краще 2 дБ через більшого шуму напруги.
Як і в боксі, де бути кращим в бійці ще не означає мати шанс на участь у чемпіонаті світу, так і тут є кілька юних претендентів на звання кращого малошумящего транзистора. Наприклад, в комплементарних ПТ з фірми Toshiba використовується чарункова геометрія затвора, що дозволяє отримати феноменально низьке значення при (це еквівалентно тепловому шуму -омного резистора!). Але ж це ПТ з їх малим вхідним струмом (і тому малим), а звідси і те, що шумове опір приблизно дорівнює 10 кому. При використанні їх в підсилювачі при опорі джерела, рівному їх шумового опору (т. Е. При кОм), ці транзистори непереможні - температура шуму становить всього 2 К!
Перед тим як бігти купувати мішок цих чудових ПТ, вислухайте кілька критичних зауважень, які змусять засумніватися в безмежності їх -ці ПТ мають високу вхідну ємність і велику ємність зворотного зв'язку (85 і відповідно), що робить їх обмежено придатними на високих частотах. Їх родич в даному відношенні краще, але у нього вище. Ті ж критичні аргументи справедливі для біполярних комплементарних пар фірми Toyo-Rohm, у яких при принаймні не вище при помірних значеннях повного опору джерела і частоти можна отримати навіть кращі робочі параметри.
Мале повний опір джерела.
Біполярно-транзисторні підсилювачі забезпечують дуже хороші шумові параметри в діапазоні повного опору джерела від 200 Ом до відповідний оптимальний струм колектора лежить зазвичай в діапазоні від декількох міліампер до, т. Е. Струми колектора, використовувані у вхідному каскаді малошумящего підсилювача, дещо менше, взагалі кажучи , ніж в не оптимізовані за рівнем шуму підсилювальних каскадах.
При дуже малих повних опорах джерела (наприклад, 50 Ом) завжди буде переважати шум напруги транзистора і коефіцієнт шуму буде незадовільним. В цьому випадку краще всього використовувати трансформатор для збільшення рівня (і опору джерела) сигналу, розглядаючи при цьому сигнал на вторинній обмотці як сигнал джерела. Високоякісні перетворювачі сигналу випускаються фірмами James і Princeton Applied Research. Наприклад, що випускається останньої фірмою модель ПТ-підсилювач 116 має такі шуми напруги і струму, що найменший коефіцієнт шуму спостерігається при повному опорі джерела сигналу близько. Сигнали частоти з повним опором джерела близько 100 Ом погано узгоджуються з таким підсилювачем, так як шум напруги підсилювача буде набагато більше теплового шуму джерела сигналу; в результаті, якщо такий сигнал подати прямо на підсилювач, коефіцієнт шуму буде дорівнює 11 дБ. Якщо ж використовувати вбудований (необов'язковий) підвищувальний трансформатор, то рівень сигналу підвищується разом з повним опором джерела, перевищуючи шум напруги підсилювача, і коефіцієнт шуму стає рівним 1,0 дБ.
На радіочастотах, починаючи наприклад, приблизно від, хороший трансформатор зробити досить легко як для «настроюються» (вузькосмугових), так і для широкосмугових сигналів.
При таких частотах легко побудувати «трансформаторну лінію передачі» з широкою смугою частот і дуже хорошими параметрами. Деякі шляхи для цього ми розглянемо в гл. 13, т. 2. А ось на низьких частотах (звукових і нижче) застосування трансформаторів проблематично.
Три зауваження: (а) Напруга зростає пропорційно відношенню числа витків в обмотках, а повний опір - пропорційно квадрату цього відносини. Тому вихідний повний опір трансформатора, що підвищує напругу в два рази, перевершує вхідний повний опір в чотири рази (за рахунок запасання енергії), (б) Трансформатори недосконалі. При низьких частотах сигналу може доставити клопоти магнітне насичення, при високих - ємність і індуктивність обмоток, і завжди спостерігаються втрати через магнітних властивостей осердя і опору обмоток. Останнє до того ж є джерелом теплового шуму. Проте при роботі з джерелом сигналу, що має дуже мале повне опір, вибору у вас немає, а застосування трансформатора, як показує попередній приклад, дає величезний виграш. Щоб поліпшити режим роботи з малим рівнем сигналу і малим опором його джерела, можна застосовувати і екзотичну апаратуру на кшталт охолоджуваних трансформаторів, надпровідних трансформаторів, а також СКИП (Сверхпроводящие Квантові Інтерференційні Прилади). За допомогою скіпів можна вимірювати напругу порядку! (В) І знову попереджаємо: не намагайтеся поліпшити режим роботи, додаючи послідовний резистор до джерела сигналу з малим повним опором. Ви просто опинитеся черговою жертвою поширеної помилки щодо коефіцієнта шуму.
Велике повне опір джерела.
При великих значеннях повного опору джерела, що перевищують, скажімо, 100 кОм, переважає шум струму транзистора і кращим пристроєм для посилення з малими шумами буде ПВ.
Мал. 7.52. Залежність щільності напруги теплового шуму від опору при температурі. Показана також щільність струму шуму в режимі короткого замикання.
Хоча у нього шум напруги зазвичай більше, ніж у біполярного транзистора, але струм затвора і його шум зникаюче малі, тому ПТ є ідеальними пристроями для підсилювачів, що працюють з джерелом сигналу з великим повним опором і дають малий шум. У зв'язку з цим іноді корисно трактувати теплової шум як шум струму що дозволяє порівнювати внесок шуму джерела і шум струму підсилювача (рис. 7.52).