Искусство схемотехники. Том 2 (Изд.4-е)
Шрифт:
Рис. 7.52. Зависимость плотности напряжения теплового шума от сопротивления при температуре 25 °C. Показана также плотность тока шума в режиме короткого замыкания.
7.15. Шум ПТ
Для ПТ можно использовать ту же модель шума усилителя, что и для биполярного транзистора, т. е. последовательно со входом соединить источник шума напряжения и параллельно присоединить источник шума тока. При этом анализировать шумовые параметры можно так же, как это делалось для биполярных транзисторов (см., например, рис. 7.51 в разделе, посвященном сравнению ПТ и биполярных транзисторов).
Шум
е2ш = 4kT[(2/3)(1/gm)] В2/Гц,
где величина, обратная крутизне, играет роль сопротивления в формуле теплового шума. Так как крутизна растет вместе с током стока (как Ic), для снижения шума напряжения имеет смысл, чтобы ПТ работали с большим током стока. Однако, поскольку еш представляет собой тепловой шум, пропорциональный 1/gm, а крутизна, в свою очередь, пропорциональна Ic, то еш в конечном счете пропорциональна Ic– 1/4. При столь слабой зависимости еш от Ic не следует сильно увеличивать ток стока, так как это ухудшит другие параметры усилителя. В частности, ПТ, работая при большом токе, нагревается, что (а) уменьшает gm, (б) увеличивает дрейф напряжения сдвига и КОСС и (в) драматическим образом увеличивает ток утечки затвора; последний эффект фактически может увеличить шум напряжения за счет некоторого вклада в еш фликкер-шума, связанного с током утечки затвора.
Существует другой путь для увеличения gm, а тем самым для уменьшения шума напряжения ПТ с p-n– переходом: включив параллельно два ПТ, мы будем иметь вдвое большую gm, при этом, конечно, удваивается и Ic. Однако теперь, если мы сохраним предыдущее значение Ic, то при этом мы все же получим увеличение gm в 2 раз. На практике мы можем просто включить в параллель несколько согласованных ПТ с p-n– переходом либо обратиться к ПТ с усложненной геометрией, таким как упомянутые выше 2SJ72 и 2SK147.
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 + CнRн)/(2gmC3CCнR2н) 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.