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 из паспорта изготовителя берется отдельный ток коллектора, а не их сумма; б) , приходящийся на каждый входной зажим, тот же, что и для одновходового усилителя; в) , приходящееся на один вход при заземленном другом, будет на 3 дБ (т. е. в раз) больше, чем в случае отдельного транзистора.

В усилителях с обратной связью мы хотим найти эквивалентные источники шума 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 как шумы усилителя. Тогда шум, вносимый усилителем в сигнал при сопротивлении источника КИ, будет

Рассмотрим отдельно два вида обратной связи.

Неинвертирующий усилитель.

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

где - это «полный» шум напряжения дифференциальной схемы, т. е. на 3 дБ больший, чем для одиночного транзисторного каскада.

Рис. 7.55. Входные шумы некоторых популярных ПТ. а - зависимость входного напряжения шума от тока стока - зависимость входного напряжения шума от частоты; в - зависимость входного тока шума от частоты.

Рис. 7.56.

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 , 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:

График для выбора ОУ.

Сейчас вы уже владеете всем необходимым аппаратом для анализа входных цепей ОУ. Их шум задается в виде для биполярных и для полевых транзисторов.

Рис. 7.57.

Рис. 7.58. Входные шумы некоторых популярных ОУ. а - зависимость входного напряжения шума от частоты; б - зависимость входного тока шума от частоты.

Вам не надо ничего выдумывать, надо только их правильно использовать. Вообще говоря, паспортные данные иногда несколько пикантны. Например, импульсный шум определяется как скачки сдвига в случайные моменты случайной длительности.

Рис. 7.59. Напряжение широкополосного шума некоторых популярных ОУ.

Этот термин в приличном обществе употреблять не принято. На рис. 7.58 изображены шумовые характеристики нескольких популярных ОУ.

Широкополосный шум.

Операционные схемы обычно имеют связь по постоянному току, область их рабочих частот простирается до некоторой верхней граничной частоты . 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.

Выбор малошумящего ОУ.

Выбрать ОУ, который минимизировал бы шумы в некотором диапазоне частот при данном сопротивлении источника сигнала , 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 для больших сопротивлений сигнала и с малым для малых сопротивлений сигнала. Приняв, что источник сигнала находится при комнатной температуре, определим суммарную плотность отнесенного ко входу напряжения шума как

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 (при ) как функции для наиболее бесшумных ОУ, которые мы могли найти. Для сравнения мы включили также бескорпусный ПТ ОУ и микромощный биполярный . Последний, хотя и является превосходным микромощным операционным усилителем, имеет большое напряжение шума (входные транзисторы работают при малом токе коллектора, а отсюда высокое значение 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.

Рис. 7.60. Полный шум (резистор источника плюс усилитель при 10 Гц) высококачественного ОУ.

Малошумящие предусилители.

В дополнение к малошумящим ОУ имеется несколько превосходных ИМС малошумящих предусилителей. В отличие от ОУ они обычно имеют фиксированный коэффициент усиления, хотя в некоторых моделях можно подключать внешний резистор установки усиления. Иногда их называют «видеоусилителями», поскольку они зачастую имеют полосу пропускания в десятки мегагерц, хотя их можно использовать также в низкочастотных схемах.

В качестве примеров можно указать на фирмы Plessey и несколько моделей фирмы Analog Systems. Эти усилители типично имеют менее , что достигается (ценой повышения входного тока шума ) за счет работы входного транзистора в режиме относительно большого коллекторного тока.