Искусство схемотехники. Том 2 (Изд.4-е)

Графический метод оценки шума усилителя по е_ш и i_ш. Только что представленная техника расчета шумов, хотя и ведет непосредственно к получению результата, однако не исключает возможности появления в процессе проектирования ужасных ошибок. Достаточно, например, поставить не на то место постоянную Больцмана, и мы вдруг получаем усилитель с коэффициентом шума 10000 дБ! В этом разделе мы опишем очень полезную упрощенную технику оценки шума. Метод состоит в том, что сначала выбирается интересующая нас частота, чтобы можно было выбрать из паспортных данных транзистора значения е_ш и i_ш  в зависимости от I_К. Затем при заданном токе коллектора строится график зависимости е_у (как суммы вкладов е_ш и i_ш  в шум) от сопротивления источника R_и. На рис. 7.49 показано, как он выглядит при частоте 1 кГц для дифференциального входного каскада, использующего согласованную транзисторную пару LM394 со сверхвысоким , работающую при коллекторном токе 50 мкА.

Рис. 7.49. Зависимость напряжения входного шума усилителя е_у как суммы параметров е_ш и i_шR_и от сопротивления источника сигнала. Шум для входного каскада LM394 на частоте 1 кГц при I_К = 50 мкА; е_ш = 2,5 нВ/Гц^1/2; i_ш = 0,16 пА/Гц^1/2; R_и = е_ш/v = 15 кОм.

Шум напряжения е_ш постоянный, а напряжение i_шR_и возрастает пропорционально R_и, т. е. с наклоном 45°. Линия шума усилителя строится так, как показано на рисунке, надо причем тщательно следить за тем, чтобы она проходила через точку на 3 дБ (отношение напряжений около 1,4) выше точки пересечения отдельно построенных линий шума напряжения е_ш и тока i_шR_и. Кроме того, строится линия напряжения шума сопротивления источника, которая оказывается линией уровня коэффициента шума 3 дБ. Другие линии уровня КШ — это прямые, ей параллельные, как вскоре будет показано на примерах.

Наилучший коэффициент шума (0,2 дБ) при этом коллекторном токе и этой частоте наблюдается при сопротивлении источника 15 кОм, и легко видеть, что коэффициент шума меньше 3 дБ будет при сопротивлении источника между 300 Ом и 500 кОм, — точки, в которых линия уровня коэффициента шума 3 дБ пересекает график шума усилителя.

Следующий шаг — построение других кривых шума на том же графике при различных токах коллектора и частотах, а возможно и для других типов транзисторов, с целью оценки параметров усилителя. Перед тем как двигаться в этом направлении дальше, покажем, как можно к одному и тому же усилителю применять два различных параметра, характеризующие шум: шумовое сопротивление R_ш и коэффициент шума КШ (при R_ш), которые оба получаются непосредственно из графиков.

Шумовое сопротивление. Наименьший коэффициент шума в этом примере получается, когда сопротивление источника 15 кОм, что равно отношению е_ш к i_ш. Так определяется шумовое сопротивление R_ш = е_ш/i_ш. Коэффициент шума источника с таким сопротивлением находится из приведенного ранее выражения:

КШ (при R_ш) = 10·lg[1 + 1,23·10²⁰(e²_ш/R_ш)] дБ ~= 0,2 дБ.

Шумовое сопротивление не существует реально в транзисторе или где-то еще. Это параметр, который помогает быстро определить сопротивление источника, дающее минимальный коэффициент шума, так что в идеале надо менять ток коллектора таким образом, чтобы подогнать R_ш как можно ближе к реальному сопротивлению источника. R_ш отвечает точке, в которой пересекаются графики е_ш и i_ш.

Коэффициент шума для сопротивления источника, равного R_ш, находится по приведенной выше формуле.

Альтернатива: биполярный транзистор или ПТ. Давайте поиграем с этой методикой. Постоянным яблоком раздора среди инженеров является вопрос о том, что «лучше»: биполярные или полевые транзисторы? Мы покорно предоставим решение этого вопроса единоборству лучших представителей двух состязающихся сторон. Мы позволим в интересах честной борьбы сражаться двум командам National Semiconductor, выбрав двух единоборцев.

Итак, в биполярном углу — великолепный монолитный LM394 — согласованная пара со сверхвысоким ,- уже готовый к состязаниям (см. выше). Он работает на частоте 1 кГц с током коллектора от 1 мкА до 1 мА (рис. 7.50).

Рис. 7.50. Полное напряжение входного шума е_у усилителя на биполярном транзисторе LM394 при различных условиях в сравнении с ПТ с р-n– переходом 2N6483. Монолитная согласованная пара nрn– биполярных транзисторов LM394 при 1 кГц и I_К = 1 мкА — 10 мА.

Команда ПТ представлена монолитной парой согласованных n– канальных ПТ с p-n– переходом 26483, знаменитой своим потрясающе низким уровнем шумов и превосходящей, как принято считать, по этим параметрам биполярные транзисторы. Согласно паспортным данным, она рассчитана только на диапазон тока стока от 100 до 400 мкА (рис. 7.51).

Рис. 7.51. Полное напряжение входного шума е_у для ПТ с p-n– переходом 26483 в сравнении с биполярным транзистором LM394. Монолитная согласованная пара n– канальных ПТ с p-n– переходом 26483 при 1 кГц и I_c = 100:400 мкА, U_сз = 2:25 В.

Кто же победитель? Решение оказывается двойственным. Полевой транзистор набирает очки по минимизации коэффициента шума КШ(R_ш), достигая феноменального значения 0,05 дБ и держась намного ниже 0,2 дБ при полном сопротивлении источника от 100 кОм до 100 МОм. В области больших сопротивлений источника ПТ непобедимы. Биполярные транзисторы опережают при малых сопротивлениях источника, в частности меньших 5 кОм, и могут достигать 0,3 дБ КШ при R_и = 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 е_ш.

Как и в боксе, где быть лучшим в драке еще не означает иметь шанс на участие в чемпионате мира, так и здесь имеются несколько юных претендентов на звание лучшего малошумящего транзистора. Например, в комплементарных ПТ с р-n– переходом 2SJ72 и 2SK147 фирмы Toshiba используется ячеистая геометрия затвора, что позволяет получить феноменально низкое значение е_ш 0,7 нВ/Гц^1/2 при I_с = 10 мА (это эквивалентно тепловому шуму 30-омного резистора!). Но ведь это ПТ с их малым входным током (и поэтому малым i_ш), а отсюда и то, что шумовое сопротивление примерно равно 10 кОм. При использовании их в усилителе при сопротивлении источника, равном их шумовому сопротивлению (т. е. при R_и = 10 кОм), эти транзисторы непобедимы — температура шума составляет всего 2 К!