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

Рис. 7.52. Зависимость плотности напряжения теплового шума от сопротивления при температуре 25 °C. Показана также плотность тока шума в режиме короткого замыкания.

Для ПТ можно использовать ту же модель 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. 7.51 в разделе, посвященном сравнению ПТ и биполярных транзисторов).

Шум напряжения ПТ с p-n -переходом.Для ПТ с p-n -переходом шум напряжения есть, в сущности, тепловой шум сопротивления канала, который приближенно описывается формулой

е 2 ш = 4k T[(2/3)(1/ g m)] В 2/Гц,

где величина, обратная крутизне, играет роль сопротивления в формуле теплового шума. Так как крутизна растет вместе с током стока (как √ I c ), для снижения шума напряжения имеет смысл, чтобы ПТ работали с большим током стока. Однако, поскольку е ш представляет собой тепловой шум, пропорциональный 1/√ g m , а крутизна, в свою очередь, пропорциональна √ I c , то е ш в конечном счете пропорциональна I c - 1/4. При столь слабой зависимости е ш от I c не следует сильно увеличивать ток стока, так как это ухудшит другие параметры усилителя. В частности, ПТ, работая при большом токе, нагревается, что (а) уменьшает g m , (б) увеличивает дрейф напряжения сдвига и КОСС и (в) драматическим образом увеличивает ток утечки затвора; последний эффект фактически может увеличить шум напряжения за счет некоторого вклада в е ш фликкер-шума, связанного с током утечки затвора.

Существует другой путь для увеличения g m , а тем самым для уменьшения шума напряжения ПТ с p-n -переходом: включив параллельно два ПТ, мы будем иметь вдвое большую g m , при этом, конечно, удваивается и I c . Однако теперь, если мы сохраним предыдущее значение I c , то при этом мы все же получим увеличение g m в √2 раз. На практике мы можем просто включить в параллель несколько согласованных ПТ с p-n -переходом либо обратиться к ПТ с усложненной геометрией, таким как упомянутые выше 2SJ72 и 2SK147.

При этом, однако, приходится платить. Все емкости соединяемых параллельно ПТ складываются, в результате чего высокочастотные характеристики (включая коэффициент шума) ухудшаются. На практике подключение дополнительных транзисторов необходимо прекратить, как только входная емкость схемы сравняется с емкостью источника. Если вас волнуют характеристики на высоких частотах, выбирайте ПТ с большой g m и малой С 3C ; можно рассматривать отношение g m / С 3C как меру качества на высоких частотах, Следует отметить, что важную роль может играть также конфигурация схемы; например, чтобы исключить эффект Миллера (умножение за счет коэффициента усиления) относительно С 3C , можно применить каскодную схему.

МОП-транзисторы обычно имеют намного большие значения шума напряжения, чем ПТ с p-n -переходом, причем преобладает шум 1/ f , так как спад 1/ f лежит у них в диапазоне достаточно высоких частот: от 10 до 100 кГц. По этой причине МОП-транзисторы обычно не используют в малошумящих усилителях на частотах, меньших 1 МГц.

Шум тока ПТ с p-n -переходом. На низких частотах шум тока /ш крайне мал; он возникает из дробового шума тока утечки затвора (рис. 7.53):

i ш. эфф= (3,2·10 -19 I 3утB) 1/2А.

Рис. 7.53. Зависимость входного тока шума от тока утечки затвора для ПТ с p-n-переходом.

( National Semiconductor Corp.)

Кроме того, в некоторых ПТ присутствует компонента фликкер-шума. Шум тока растет с ростом температуры, как ток утечки затвора. Обратите внимание на быстрый рост утечки затвора у n -канального ПТ с p-n -переходом, при больших значениях U C3 (см. разд. 3.09 ).

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 (эффектом Миллера) при сдвиге фазы на выходе, порожденном емкостью нагрузки; иначе говоря, часть выходного, сигнала, сдвинутая по фазе на 90°, проходя через емкость обратной связи С 3C , создает эффективное сопротивление на входе

R= (1 + ω C нR н)/(ω 2 g mC 3CC нR 2 н ) Ом.

Например, p -канальный ПТ с p-n -переходом 2N5266 имеет ток шума 0,005 пА/Гц 1/2и напряжение шума еш12 нВ/Гц 1/2- то и другое при I СИ нас и на частоте 10 кГц. Ток шума начинает ползти вверх при частоте около 50 кГц. Эти значения примерно в 100 раз лучше по i ш и в 5 раз хуже по е ш , чем соответствующие значения рассмотренного ранее 2N5087.

С помощью ПТ можно получить хорошие шумовые параметры в диапазоне полного сопротивления от 10 кОм до 100 МОм. Предусилитель фирмы PAR 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 1/2и ток шумов 0,013 пА/Гц 1/2.

Как упоминалось раньше, биполярные транзисторы из-за малого входного шума напряжения имеют наилучшие шумовые параметры при малых значениях сопротивления источника. Шум напряжения е ш уменьшается путем выбора транзистора с малым объемным сопротивлением базы r б и режима работы с большим током коллектора (пока h 21Э остается большим). При больших сопротивлениях источника 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 до такого значения, когда крутизна будет наибольшей. ПТ, предназначенные для работы в малошумящих устройствах, имеют большое значение k (см. разд. 3.04 ), что обычно означает большую входную емкость.

Например, у малошумящего 2N6483 емкость С зи = 20 пФ, а у слаботочного ПТ 2N5902 емкость С зи = 2 пФ. На рис. 7.54 и 7.55 показаны сравнительные шумовые характеристики некоторых распространенных и широко используемых транзисторов.

Рис. 7.54. Входные шумы для некоторых популярных биполярных транзисторов. а— зависимость входного напряжения шума е шот тока коллектора; б— зависимость входного тока шума i шот тока коллектора; в— зависимость входного тока шума от частоты.