Страница 20 из 124
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 gm и малой С3C; можно рассматривать отношение gm/С3C 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 С3C, 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):
iш. эфф = (3,2·10-19I3утB)1/2 А.
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 UC3 (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 С3C, создает эффективное сопротивление на входе
R = (1 + ωCнRн)/(ω2gmC3CCнR2н) Ом.
Например, p-канальный ПТ с p-n-переходом 2N5266 имеет ток шума 0,005 пА/Гц1/2 и напряжение шума еш 12 нВ/Гц1/2 - то и другое при IСИ нас и на частоте 10 кГц. Ток шума начинает ползти вверх при частоте около 50 кГц. Эти значения примерно в 100 раз лучше по iш и в 5 раз хуже по еш, 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/Гц1/2 и ток шумов 0,013 пА/Гц1/2.
7.16. Выбор малошумящих транзисторов
Как упоминалось раньше, биполярные транзисторы из-за малого входного шума напряжения имеют наилучшие шумовые параметры при малых значениях сопротивления источника. Шум напряжения еш уменьшается путем выбора транзистора с малым объемным сопротивлением базы rб и режима работы с большим током коллектора (пока h21Э 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 Сзи = 20 пФ, а у слаботочного ПТ 2N5902 емкость Сзи= 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 еш от тока коллектора; б — зависимость входного тока шума iш от тока коллектора; в — зависимость входного тока шума от частоты.
Рис. 7.55. Входные шумы некоторых популярных ПТ.а — зависимость входного напряжения шума еш от тока стока Iс; б — зависимость входного напряжения шума iш от частоты; в — зависимость входного тока шума iш от частоты.
7.17. Шум дифференциальных усилителей и усилителей с обратной связью
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 еш и iш из паспорта изготовителя берется отдельный ток коллектора, а не их сумма; б) iш, приходящийся на каждый входной зажим, тот же, что и для одновходового усилителя; в) еш, 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 еш и iш 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 еу и iу как шумы усилителя. Тогда шум, вносимый усилителем в сигнал при сопротивлении источника Rи, будет
е2 = е2у + (Rиiу)2 B2/Гц.
Рассмотрим отдельно два вида обратной связи.
Неинвертирующий усилитель. Для неинвертирующего усилителя (рис. 7.56) источники шума на входе будут
i2у = i2ш
e2у = e2ш + 4кТ R'' + (iшR'')2,