7.14. Проектирование малошумящих схем на биполярных транзисторах

Факт, что падает, а растет с ростом тока , дает возможность оптимизировать рабочий ток транзистора для получения минимального шума при данном источнике сигнала. Снова взглянем на модель (рис. 7.46). «Бесшумный» источник сигнала имеет добавку в виде генератора напряжения шума (теплового шума его внутреннего сопротивления) . Усилитель добавляет сюда свой собственный шум:

Таким образом, напряжение шума усилителя добавляется к входному сигналу и кроме того шум тока усилителя порождает шум напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Эти два шума не коррелированы (за исключением очень высоких частот) и их квадраты складываются. Наша цель - как можно сильнее уменьшить общий шум усилителя. Это легко сделать, если известно , так как достаточно посмотреть на зависимость от на частотах сигнала и выбрать , минимизирующее .

Если вам повезло и у вас есть карта линий уровня коэффициента шума на поле , то вы быстро сможете определить оптимальное значение .

Пример расчета коэффициента шума.

Для примера предположим, что у нас есть малый сигнал с частотой около , сопротивлением источника около 10 кОм и мы хотим построить усилитель на базе . Из кривых (рис. 7.47) можно видеть, что сумма вкладов напряжения и тока (при сопротивлении источника 10 кОм) будет минимальной при токе коллектора . Так как с уменьшением шум тока падает быстрее, чем растет шум напряжения, разумно использовать несколько меньший ток коллектора, особенно если предвидится работа на более низких частотах резко растет при уменьшении частоты). Можно независимо оценить коэффициент шума, используя значения на частоте :

При 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 .

Рис. 7.47. Линии уровня коэффициента узкополосного шума для транзистора , ширина полосы 150 Гц.

Рис. 7.48. Зависимость коэфициента шума (КШ) от частоты для трех значений у транзистора 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 ), хотя реальный коэффициент шума по этим линиям оценить трудно - можно только сказать, что он меньше 2 дБ.

Упражнение 7.5. Найдите оптимальное значение и соответствующий коэффициент шума при кОм и , 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 и будет в сущности тот же самый, поскольку 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.

Графический метод оценки шума усилителя.

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 деле 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 в зависимости от . Затем при заданном токе строится график зависимости (как суммы вкладов в шум) от сопротивления источника . На рис. 7.49 показано, как он выглядит при частоте для дифференциального входного каскада, использующего согласованную транзисторную пару со сверхвысоким р, работающую при коллекторном токе . Шум напряжения постоянный, а напряжение возрастает пропорционально , 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 и тока . 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 точки, в которых линия уровня коэффициента шума 3 дБ пересекает график шума усилителя.

Рис. 7.49. Зависимость напряжения входного шума усилителя как суммы параметров от сопротивления источника сигнала. Шум для входного каскада на частоте при .

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 и коэффициент шума КШ (при ), которые оба получаются непосредственно из графиков.

Шумовое сопротивление.

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

Шумовое сопротивление не существует реально в транзисторе или где-то еще.

Рис. 7.50. Полное напряжение входного шума усилителя на биполярном транзисторе при различных условиях в сравнении с ПТ с . Монолитная согласованная пара -биполярных транзисторов при .

Это параметр, который помогает быстро определить сопротивление источника, дающее минимальный коэффициент шума, так что в идеале надо менять ток коллектора таким образом, чтобы подогнать как можно ближе к реальному сопротивлению источника. отвечает точке, в которой пересекаются графики .

Коэффициент шума для сопротивления источника, равного , 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 - согласованная пара со сверхвысоким ( - уже готовый к состязаниям (см. выше). Он работает на частоте с током коллектора от до (рис. 7.50).

Команда ПТ представлена монолитной парой согласованных -канальных ПТ , 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 (рис. 7.51).

Рис. 7.51. Полное напряжение входного шума для ПТ с в сравнении с биполярным транзистором . Монолитная согласованная пара -канальных ПТ с при .

Кто же победитель?

Решение оказывается двойственным. Полевой транзистор набирает очки по минимизации коэффициента шума , достигая феноменального значения 0,05 дБ и держась намного ниже 0,2 дБ при полном сопротивлении источника от 100 кОм до . 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 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 .

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 фирмы Toshiba используется ячеистая геометрия затвора, что позволяет получить феноменально низкое значение при (это эквивалентно тепловому шуму -омного резистора!). Но ведь это ПТ с их малым входным током (и поэтому малым ), 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 кОм), эти транзисторы непобедимы - температура шума составляет всего 2 К!

Перед тем как бежать покупать мешок этих замечательных ПТ, выслушайте несколько критических замечаний, которые заставят усомниться в безграничности их -эти ПТ имеют высокую входную емкость и большую емкость обратной связи (85 и соответственно), что делает их ограниченно годными на высоких частотах. Их родственник в данном отношении лучше, но у него выше . Те же критические аргументы справедливы для биполярных комплементарных пар фирмы Toyo-Rohm, у которых при по крайней мере не выше при умеренных значениях полного сопротивления источника и частоты можно получить даже лучшие рабочие параметры.

Малое полное сопротивление источника.

Биполярно-транзисторные усилители обеспечивают очень хорошие шумовые параметры в диапазоне полного сопротивления источника от 200 Ом до соответствующий оптимальный ток коллектора лежит обычно в диапазоне от нескольких миллиампер до , т. е. токи коллектора, используемые во входном каскаде малошумящего усилителя, несколько меньше, вообще говоря, чем в не оптимизированных по уровню шума усилительных каскадах.

При очень малых полных сопротивлениях источника (например, 50 Ом) всегда будет преобладать шум напряжения транзистора и коэффициент шума будет неудовлетворительным. В этом случае лучше всего использовать трансформатор для увеличения уровня (и сопротивления источника) сигнала, рассматривая при этом сигнал на вторичной обмотке как сигнал источника. Высококачественные преобразователи сигнала выпускаются фирмами James и Princeton Applied Research. Например, выпускаемая последней фирмой модель ПТ-предусилителя 116 имеет такие шумы напряжения и тока, что наименьший коэффициент шума наблюдается при полном сопротивлении источника сигнала около . Сигналы частоты с полным сопротивлением источника порядка 100 Ом плохо согласуются с таким усилителем, так как шум напряжения усилителя будет намного больше теплового шума источника сигнала; в результате, если такой сигнал подать прямо на усилитель, коэффициент шума будет равен 11 дБ. Если же использовать встроенный (необязательный) повышающий трансформатор, то уровень сигнала повышается вместе с полным сопротивлением источника, превышая шум напряжения усилителя, и коэффициент шума становится равным 1,0 дБ.

На радиочастотах, начиная к примеру, приблизительно от , хороший трансформатор сделать довольно легко как для «настраиваемых» (узкополосных), так и для широкополосных сигналов.

При таких частотах легко построить «трансформаторную линию передачи» с широкой полосой частот и очень хорошими параметрами. Некоторые пути для этого мы рассмотрим в гл. 13, т. 2. А вот на низких частотах (звуковых и ниже) применение трансформаторов проблематично.

Три замечания: (а) Напряжение растет пропорционально отношению числа витков в обмотках, а полное сопротивление - пропорционально квадрату этого отношения. Поэтому выходное полное сопротивление трансформатора, повышающего напряжение в два раза, превосходит входное полное сопротивление в четыре раза (за счет запасания энергии), (б) Трансформаторы несовершенны. При низких частотах сигнала может доставить хлопоты магнитное насыщение, при высоких - емкость и индуктивность обмоток, и всегда наблюдаются потери из-за магнитных свойств сердечника и сопротивления обмоток. Последнее к тому же является источником теплового шума. Тем не менее при работе с источником сигнала, имеющим очень малое полное сопротивление, выбора у вас нет, а применение трансформатора, как показывает предыдущий пример, дает огромный выигрыш. Чтобы улучшить режим работы с малым уровнем сигнала и малым сопротивлением его источника, можно применять и экзотическую аппаратуру вроде охлаждаемых трансформаторов, сверхпроводящих трансформаторов, а также СКИП (Сверхпроводящие Квантовые Интерференционные Приборы). С помощью СКИПов можно измерять напряжение порядка ! (в) И снова предупреждаем: не пытайтесь улучшить режим работы, добавляя последовательный резистор к источнику сигнала с малым полным сопротивлением. Вы просто окажетесь очередной жертвой распространенного заблуждения насчет коэффициента шума.

Большое полное сопротивление источника.

При больших значениях полного сопротивления источника, превышающих, скажем, 100 кОм, преобладает шум тока транзистора и лучшим устройством для усиления с малыми шумами будет ПТ.

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

Хотя у него шум напряжения обычно больше, чем у биполярного транзистора, но ток затвора и его шум исчезающе малы, поэтому ПТ являются идеальными устройствами для усилителей, работающих с источником сигнала с большим полным сопротивлением и дающих малый шум. В связи с этим иногда полезно трактовать тепловой шум как шум тока что позволяет сравнивать вклад шума источника и шум тока усилителя (рис. 7.52).