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

Рис. 7.55. Входные шумы некоторых популярных ПТ. а— зависимость входного напряжения шума е шот тока стока I с; б— зависимость входного напряжения шума i шот частоты; в— зависимость входного тока шума i шот частоты.

Малошумящие усилители часто делают дифференциальными, чтобы получить обычные преимущества в виде малого дрейфа и хорошего подавления синфазных сигналов. Когда подсчитываются шумовые характеристики дифференциального усилителя, надо помнить: а) следует убедиться, что для извлечения е ш и i ш из паспорта изготовителя берется отдельный ток коллектора, а не их сумма; б) i ш , приходящийся на каждый входной зажим, тот же, что и для одновходового усилителя; в) е ш , приходящееся на один вход при заземленном другом, будет на 3 дБ (т. е. в √2 раз) больше, чем в случае отдельного транзистора.

В усилителях с обратной связью мы хотим найти эквивалентные источники шума е ш и i ш независимо от того, есть ли цепь обратной связи, чтобы их можно было использовать, как и раньше, при подсчете шумовых характеристик с заданным источником сигнала. Обозначим шумы схемы с обратной связью через е у и i у как шумы усилителя . Тогда шум, вносимый усилителем в сигнал при сопротивлении источника R и , будет

е 2= е 2 у + ( R иi у) 2B 2/Гц.

Рассмотрим отдельно два вида обратной связи.

Неинвертирующий усилитель.Для неинвертирующего усилителя (рис. 7.56) источники шума на входе будут

i 2 у = i 2 ш

e 2 у = e 2 ш + 4к Т R ''+ ( i шR '') 2,

Рис. 7.56.

где е ш - это «полный» шум напряжения дифференциальной схемы, т. е. на 3 дБ больший, чем для одиночного транзисторного каскада. Дополнительный вклад в шум дают тепловой шум и шум тока входного каскада в резисторах обратной связи. Заметим, что теперь эффективные значения шума напряжения и шума тока не будут абсолютно не коррелированными, следовательно, сложение их квадратов может привести к ошибке (не более чем в 1,4 раза).

Для повторителя R 2 = 0, поэтому эквивалентные источники шума будут такими же как у отдельно взятого дифференциального усилителя.

Инвертирующий усилитель.Для инвертирующего усилителя (рис. 7.57) источники входного шума будут следующие:

i 2 у = i 2 ш + 4к Т/ R 2

e 2 у = e 2 ш + R 2 1 ( i 2 ш + 4к Т/ R 2) = e 2 ш + R 2 1i 2 у

Рис. 7.57.

График для выбора ОУ.Сейчас вы уже владеете всем необходимым аппаратом для анализа входных цепей ОУ. Их шум задается в виде е ш и i ш для биполярных и для полевых транзисторов. Вам не надо ничего выдумывать, надо только их правильно использовать. Вообще говоря, паспортные данные иногда несколько пикантны. Например, импульсный шум ("popcorn noise") [1] Шум лопающихся при поджаривании, кукурузных зерен. — Прим. перев. определяется как скачки сдвига в случайные моменты случайной длительности. Этот термин в приличном обществе употреблять не принято.

На рис. 7.58 изображены шумовые характеристики нескольких популярных ОУ.

Рис. 7.58. Входные шумы некоторых популярных ОУ . а— зависимость входного напряжения шума е шот частоты; б— зависимость входного тока шума i шот частоты.

Широкополосный шум.Операционные схемы обычно имеют связь по постоянному току, область их рабочих частот простирается до некоторой верхней граничной частоты f ср . Поэтому интересно знать полное напряжение шума во всей этой полосе, а не просто плотность мощности шума. На рис. 7.59 представлены графики, показывающие среднеквадратичное напряжение шума в полосе, которая простирается от постоянного тока до указанной частоты; они найдены путем интегрирования кривых мощности шума для различных операционных усилителей.

Рис. 7.59. Напряжение широкополосного шума некоторых популярных ОУ.

Выбор малошумящего ОУ.Выбрать ОУ, который минимизировал бы шумы в некотором диапазоне частот при данном сопротивлении источника сигнала R c , как он видится со стороны усилителя (т. е. включающем влияние компонентов обратной связи, как это было описано выше), достаточно просто. Вообще говоря, желательны ОУ с малым i ш для больших сопротивлений сигнала и с малым е ш для малых сопротивлений сигнала. Приняв, что источник сигнала находится при комнатной температуре, определим суммарную плотность отнесенного ко входу напряжения шума как

е 2 у = 4k TR c+ е 2 ш + i 2 шR 2 c

где первое слагаемое — тепловой шум, а два последних возникают за счет напряжения и тока шума ОУ. Очевидно, что тепловой шум является нижним пределом отнесенного ко входу шума. На рис. 7.60 даны графики величин е у (при 10 кГц) как функции R c для наиболее бесшумных ОУ, которые мы могли найти. Для сравнения мы включили также бескорпусный ПТ ОУ LF411 и микромощный биполярный ОР-90. Последний, хотя и является превосходным микромощным операционным усилителем, имеет большое напряжение шума (входные транзисторы работают при малом токе коллектора, а отсюда высокое значение r Э и, как следствие, большой тепловой шум), а также большой ток шума (биполярный вход имеет существенный ток базы). Это еще раз подтверждает, насколько действительно хороши призеры.