Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

Так как с уменьшением I K шум тока падает быстрее, чем растет шум напряжения, разумно использовать несколько меньший ток коллектора, особенно если предвидится работа на более низких частотах ( i ш резко растет при уменьшении частоты). Можно независимо оценить коэффициент шума, используя значения i ш и е ш на частоте 1 кГц:

КШ= 10·lg {1 + [ е 2 ш + ( i шR и) 2]/(4k TR и)} дБ.

При I K = 10 мкА, е ш = 3,8 нВ/Гц 1/2, i ш = 0,29 пА/Гц 1/2, а 4k TR и = 1,65·10 -16В 2/Гц для сопротивления источника 10 кОм; вычисленный таким образом коэффициент шума равен 0,6 дБ. Этот результат совпадает с графиком зависимости КШ от частоты (рис. 7.48) при выборе кривой I K = 20 мкА, R и = 10 кОм. Указанный выбор коллекторного тока примерно совпадает также с результатом, который можно было бы получить из графика рис. 7.47 (линии уровня коэффициента шума при частоте 1 кГц), хотя реальный коэффициент шума по этим линиям оценить трудно-можно только сказать, что он меньше 2 дБ.

Упражнение 7.5.Найдите оптимальное значение Iк и соответствующий коэффициент шума при Rи = 100 кОм и f= 1 кГц, используя график на рис. 7.43.

Проверьте ответ по кривым линий уровня коэффициента шума (рис. 7.47). Для других схем усилителя (повторитель, усилитель с заземленной базой) коэффициент шума при данных R и и I K будет в сущности тот же самый, поскольку е ш и i ш не изменяются. Конечно, усилитель с единичным коэффициентом усиления (повторитель) просто «передает» проблемы уменьшения шума следующему каскаду, так как сигнал не будет усилен до такой степени, которая позволяет не думать о снижении шумов в следующих каскадах.

Рис. 7.48. Зависимость коэффициента шума (КШ) от частоты для трех значений I Kи R иу транзистора 2N5087. (Fairchild Camera and Instrument Corp.). U KЭ= -5 B; 1— I К= 500 мкА, R и= 1,0 кОм; 2 — I К= 250 мкА, R и= 5 кОм ; 3— I К= 20 мкА, R и= 10 кОм .

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 β , работающую при коллекторном токе 50 мкА.

Рис. 7.49. Зависимость напряжения входного шума усилителя е укак суммы параметров е ши i шR иот сопротивления источника сигнала. Шум для входного каскада LM394на 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 + 1,23·10 20( e 2 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 β ,- 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 уусилителя 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.