Искусство схемотехники. Том 2 (Изд.4-е)

Хоровиц Пауль

Пример расчета коэффициента шума. Для примера предположим, что у нас есть малый сигнал с частотой около 1 кГц, сопротивлением источника около 10 кОм и мы хотим построить усилитель на базе 2N5087. Из кривых е_ш– i_ш (рис. 7.47) можно видеть, что сумма вкладов напряжения и тока (при сопротивлении источника 10 кОм) будет минимальной при токе коллектора 10–20 мкА.

Рис. 7.47. Линии уровня коэффициента узкополосного шума для транзистора 2N5087. (Fairchild Camera and Instrument Corp.). U_KЭ = -5 B; f = 1,0

кГц, ширина полосы 150 Гц.

Так как с уменьшением I_K шум тока падает быстрее, чем растет шум напряжения, разумно использовать несколько меньший ток коллектора, особенно если предвидится работа на более низких частотах (i_ш  резко растет при уменьшении частоты). Можно независимо оценить коэффициент шума, используя значения i_ш  и е_ш на частоте 1 кГц:

КШ = 10·lg {1 + [е²_ш + (i_шR_и)²]/(4kTR_и)} дБ.

При I_K = 10 мкА, е_ш = 3,8 нВ/Гц^1/2, i_ш  = 0,29 пА/Гц^1/2, а 4kTR_и = 1,65·10^{– 16} В²/Гц 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 I_K = 20 мкА, R_и= 10 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 1 кГц), хотя реальный коэффициент шума по этим линиям оценить трудно-можно только сказать, что он меньше 2 дБ.

_{Упражнение 7.5. Найдите оптимальное значение Iк и соответствующий коэффициент шума при Rи = 100 кОм и f = 1 кГц, 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 R_и и I_K будет в сущности тот же самый, поскольку е_ш и i_ш  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.

Рис. 7.48.Зависимость коэффициента шума (КШ) от частоты для трех значений I_K и R_и у транзистора 2N5087. (Fairchild Camera and Instrument Corp.). U_KЭ = -5 B; 1 — I_К = 500 мкА, R_и = 1,0 кОм; 2 — I_К = 250 мкА, R_и = 5 кОм; 3 — I_К = 20 мкА, R_и = 10 кОм.

Графический метод оценки шума усилителя по е_ш и i_ш. 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 разделе 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 е_ш и i_ш  в зависимости от I_К. Затем при заданном токе коллектора строится график зависимости е_у (как суммы вкладов е_ш и i_ш  в шум) от сопротивления источника R_и. На рис. 7.49 показано, как он выглядит при частоте 1 кГц для дифференциального входного каскада, использующего согласованную транзисторную пару LM394 со сверхвысоким , работающую при коллекторном токе 50 мкА.

Рис. 7.49. Зависимость напряжения входного шума усилителя е_у как суммы параметров е_ш и i_шR_и от сопротивления источника сигнала. Шум для входного каскада LM394 на частоте 1 кГц при I_К = 50 мкА; е_ш = 2,5 нВ/Гц^1/2; i_ш = 0,16 пА/Гц^1/2; R_и = е_ш/v = 15 кОм.

Шум напряжения е_ш постоянный, а напряжение i_шR_и возрастает пропорционально R_и, 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 е_ш и тока i_шR_и. 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 500 кОм, — точки, в которых линия уровня коэффициента шума 3 дБ пересекает график шума усилителя.

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

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

КШ (при R_ш) = 10·lg[1 + 1,23·10²⁰(e²_ш/R_ш)] дБ ~= 0,2 дБ.