7.14. Proiectarea circuitelor cu zgomot redus pe tranzistoare bipolare
Faptul că aceasta cade, dar crește odată cu creșterea curentului, face posibilă optimizarea curentului de funcționare al tranzistorului pentru a obține un zgomot minim la o sursă de semnal dată. Din nou, uita-te la model (Figura 7.46). O sursă de semnal "fără zgomot" are un aditiv sub forma unui generator de tensiune de zgomot (zgomotul termic al rezistenței sale interne). Amplificatorul adaugă propriul zgomot aici:
Astfel, tensiunea de zgomot a amplificatorului este adăugată la semnalul de intrare și, în plus, zgomotul curentului de amplificator generează un zgomot de tensiune la rezistența internă a sursei. Aceste două zgomote nu sunt corelate (cu excepția frecvențelor foarte înalte) și pătratele lor sunt adăugate împreună. Scopul nostru - cât mai mult posibil de a reduce zgomotul total al amplificatorului. Acest lucru este ușor de făcut, dacă este cunoscut, deoarece este suficient să priviți dependența de frecvențele semnalului și să selectați, minimizând.
Dacă sunteți norocoși și aveți o hartă a liniilor nivelului de zgomot pe teren, veți putea determina rapid valoarea optimă.
Exemplu de calcul al cifrei de zgomot.
De exemplu, să presupunem că avem un semnal mic, cu o frecvență de aproximativ, o sursa de rezistență de aproximativ 10 ohmi, și vrem să construim un amplificator la baza. Din curbele (Fig. 7.47) Se poate observa că suma tensiunii și a contribuțiilor curente (dacă sursa 10 kOhm rezistor) va fi minim la colectorul de curent. Din moment ce, cu o scădere a nivelului de zgomot curent scade mai rapid decât tensiunea de zgomot, este rezonabil să se utilizeze un curent colector ușor mai scăzut, în special în cazul în care activitatea așteptată la frecvențe mai mici crește brusc ca frecventa scade). Cifra de zgomot poate fi estimată independent folosind valorile la frecvență:
Pentru rezistența sursei 10 kOhm; Factorul de zgomot calculat în acest mod este de 0,6 dB. Acest rezultat coincide cu graficul dependenței KN de frecvență (Figura 7.48) atunci când se alege o curbă.
Fig. 7,47. Linii de nivel a coeficientului de zgomot în bandă îngustă pentru tranzistor, lățime de bandă de 150 Hz.
Fig. 7.48. Dependența factorului de zgomot (CW) de frecvența pentru trei valori ale tranzistorului kOhm.
Această alegere a curentului colectorului coincide aproximativ cu rezultatul, care poate fi obținut din graficul din Fig. 7.47 (liniile fusului de zgomot la frecvență), deși cifra reală a zgomotului pentru aceste linii este dificil de estimat - putem spune că este mai puțin de 2 dB.
Exercițiul 7.5. Găsiți valoarea optimă și figura corespunzătoare a zgomotului la kOhm și utilizând graficul din Fig. 7.43. Verificați răspunsul pe curbele liniilor nivelului figura de zgomot (Figura 7.47).
Pentru alte scheme de amplificator (repetor cu amplificator de bază la pământ), cifra de zgomot și atunci când datele vor fi în esență același, din moment ce nu sa schimbat. Desigur, un amplificator cu câștig unitate (repetor) pur și simplu „trimite“ problema de a reduce zgomotul în etapa următoare, deoarece semnalul este amplificat într-o măsură care face posibil să nu se gândească la reducerea zgomotului în următoarele etape.
O metodă grafică pentru estimarea zgomotului unui amplificator.
Tehnologia de calcul a zgomotului prezentată doar, deși conduce direct la rezultat, nu exclude posibilitatea apariției unor erori teribile în procesul de proiectare. Este suficient, de exemplu, să plasăm constanta Boltzmann într-un loc greșit, și dintr-o dată obținem un amplificator cu un factor de zgomot de 10.000 dB!
În acest caz, vom descrie o tehnică foarte utilă de estimare a zgomotului simplificată.
Metoda constă în faptul că frecvența de interes este mai întâi selectată astfel încât să poată fi selectate valori din datele pașaportului tranzistorului în funcție de. Apoi, la un anumit curent, un plot al dependenței (ca sumă a contribuțiilor la zgomot) este reprezentat de rezistența sursei. În Fig. 7.49 arată cum arată frecvența pentru o treaptă de intrare diferențială utilizând o pereche de tranzistori potrivită cu p ultrahigh care funcționează la curentul colectorului. Zgomotul de tensiune este constant, iar tensiunea crește proporțional, adică cu o panta de 45 °. Linia de zgomot a amplificatorului este construită așa cum se arată în figură și trebuie monitorizată cu atenție pentru a trece prin punctul cu 3 dB (raportul tensiunilor este de aproximativ 1,4) deasupra punctului de intersecție al liniilor de zgomot și curent de zgomot construite separat. În plus, este construită o linie de zgomot de tensiune sursă, care se dovedește a fi o linie a nivelului de zgomot de 3 dB. Alte linii ale nivelului CAB sunt linii drepte, paralele cu acestea, așa cum se va arăta în scurt timp pe exemple.
Cea mai bună cifră de zgomot (0.2 dB) la același curent de colector și această frecvență este observată la 15 impedanță sursă ohm, și este ușor de văzut că cifra de zgomot este mai mică de 3 dB, atunci când impedanța sursei între 300 ohmi și punctul în care nivelul de zgomot al liniilor de coeficient 3 dB traversează curba zgomotului amplificatorului.
Fig. 7.49. Dependența tensiunii de intrare a amplificatorului ca sumă de parametri de la rezistența sursei de semnal. Zgomot pentru etapa de intrare la frecvența de la.
Următorul pas - construirea de zgomot alte curbe pe același grafic la momente diferite de curenți de colector și frecvențe, și, eventual, a altor tipuri de tranzistori, pentru a evalua parametrii amplificatorului. Înainte de a merge mai departe în această direcție, vom arăta cum este posibil ca unul și același amplificator de a aplica două alt parametru care caracterizează zgomotul: rezistența la zgomot și cifra de zgomot NF (sub), ambele din care sunt obținute direct din graficele.
Rezistență la zgomot.
Cea mai mică valoare a zgomotului din acest exemplu este obținută atunci când rezistența sursei este de 15 kΩ, care este egală cu raportul. Aceasta determină rezistența la zgomot. Factorul de zgomot sursă cu această rezistență se găsește din expresia dată mai sus:
Rezistența la zgomot nu există într-adevăr într-un tranzistor sau în altă parte.
Fig. 7,50. Tensiunea totală a zgomotului de intrare al amplificatorului pe un tranzistor bipolar în condiții diferite în comparație cu PT-urile c. Perechea monolitică de perechi de tranzistoare bipolare la.
Această opțiune, care ajută la identificarea rapidă sursa rezistenței, care dă cifra de zgomot minim, astfel încât, în mod ideal, este necesar să se schimbe colectorul de curent, astfel încât să se potrivească cât mai aproape posibil de sursa reală de rezistență. corespunde punctului în care se intersectează graficele.
Valoarea zgomotului pentru rezistența sursei egală cu, se găsește prin formula de mai sus.
Alternativă: tranzistor bipolar sau PT.
Să jucăm cu această tehnică. Un măr constant al discordiei între ingineri este chestiunea a ceea ce este "mai bine": tranzistoare bipolare sau cu efect de câmp? Vom supune în mod supus deciziei din această problemă luptei unice a celor mai buni reprezentanți ai celor doi concurenți. Vom permite, în interesul unei lupte corecte, să luptăm împotriva a două echipe de National Semiconductor, selectând doi luptători.
Astfel, în colțul bipolară - o mare monolit - o pereche cu ultra-înaltă (- este gata pentru cursa (vezi mai sus) Acesta funcționează la un curent de colector de până la (figura 7.50) ....
Echipa PT a prezentat o pereche de monolit-canal de potrivire FET, faimos pentru zgomotul incredibil de redus și superior, așa cum se crede, acești parametri tranzistoare bipolare. Conform datelor pașaportului, se calculează numai pentru intervalul de curent de scurgere de la 100 la (Figura 7.51).
Fig. 7.51. Tensiunea totală a zgomotului de intrare pentru FET este în comparație cu tranzistorul bipolar. FET cu pereche de canale pereche monolitic cu.
Cine este câștigătorul?
Soluția se dovedește a fi dublă. Un tranzistor cu efect de câmpuri acumulează puncte pentru a minimiza cifra de zgomot, ajungând la o valoare fenomenală de 0,05 dB și ținând bine sub 0,2 dB la o impedanță a sursei de 100 kΩ. În regiunea unor rezistențe mari, sursele PT sunt invincibile. Tranzistorii bipolari au performanțe reduse la rezistențe reduse, în special mai mici de 5 kOhm și pot ajunge la 0,3 dB KW la kOhm cu o alegere adecvată a curentului colector. Pentru comparație: PT au un KS la o sursă de rezistență de 1 kOhm nu mai bună de 2 dB datorită zgomotului de tensiune mai mare.
La fel ca în box, în cazul în care fiind cel mai bun într-o luptă nu înseamnă a avea o șansă de a participa la Cupa Mondială, și aici există mai mulți concurenți tineri pentru cel mai bun tranzistor cu zgomot redus. De exemplu, într-o companie complementară FET Toshiba utilizează geometria celulară a obturatorului, care permite să se obțină o valoare scăzută la fenomenală (acest lucru este de zgomot termic echivalent -omnogo rezistor!). Dar acest FET la intrare lor scăzut de curent (și, prin urmare, redus), și, prin urmare, că rezistența de zgomot este aproximativ egală cu 10 ohmi. Atunci când este utilizat într-un amplificator cu o sursa de rezistență egală cu rezistența lor zgomot (.. Ie când k), acești tranzistori neinvinsi - temperatura de zgomot este de numai 2 K!
Înainte de a cumpăra un sac de a rula aceste remarcabile Fr, auzi unele critici pe care le face îndoiască infinit -acestea FET au o capacitate ridicată de intrare și capacitate mai mare de feedback (85 și, respectiv), ceea ce le face parțial în formă la frecvențe înalte. Relația lor în acest sens este mai bună, dar el este mai înalt. Aceste critici sunt argumente valabile pentru perechi complementare bipolare ale firmelor Toyo-Rohm că, chiar și cei mai buni parametri de funcționare pot fi obținute atunci când cel puțin nu mai mare decât la impedanță sursă moderată și frecvență.
Impedanță redusă a sursei.
amplificatoare bipolare tranzistor furnizează parametri de zgomot foarte bune în domeniul de impedanța sursei de la 200 ohmi la curentul de colector optim corespunzător este, de obicei, în intervalul de la câteva miliamperi la, t. E. Colectorul curenții sunt utilizate în etapa LNA de intrare, oarecum mai puțin, în general vorbind , decât în etapele de amplificare optimizate pentru zgomot care nu sunt optimizate pentru nivelul de zgomot.
La impedanțe totale foarte scăzute ale sursei (de exemplu, 50 Ohmi), zgomotul tensiunii tranzistorului va prevala întotdeauna și cifra zgomotului va fi nesatisfăcătoare. În acest caz, cel mai bine este să utilizați un transformator pentru a mări nivelul (și rezistența sursei) semnalului, luând în considerare semnalul pe bobina secundară ca semnal sursă. Convertoarele de semnal de înaltă calitate sunt fabricate de James și Princeton Applied Research. De exemplu, modelul de preamplificator PT-116 produs de firma din urmă are un astfel de zgomot de tensiune și curent încât să se observe cea mai mică cifră de zgomot cu impedanța sursei de semnal aproximativ. Semnalele de frecvență cu o impedanță sursă de ordinul a 100 ohmi nu sunt de acord cu un astfel de amplificator, deoarece zgomotul de tensiune al amplificatorului va fi mult mai mare decât zgomotul termic al sursei de semnal; Ca rezultat, dacă un astfel de semnal este alimentat direct la amplificator, cifra zgomotului va fi de 11 dB. Dacă se folosește un transformator (step-up) integrat (opțional), nivelul semnalului crește împreună cu impedanța sursei, depășind zgomotul tensiunii amplificatorului, iar cifra zgomotului devine 1,0 dB.
La frecvențele radio, pornind de la, de exemplu, aproximativ de la, un transformator bun este ușor de utilizat atât pentru semnalele "tunabile" (bandă îngustă), cât și pentru semnalul în bandă largă.
La astfel de frecvențe este ușor să se construiască o "linie de transmisie" cu o lățime de bandă largă și parametri foarte buni. Vom lua în considerare câteva moduri în acest capitol. 13, t. 2. Dar la frecvențe joase (sunet și mai jos), utilizarea transformatoarelor este problematică.
Trei observații: (a) Tensiunea crește proporțional cu raportul dintre numărul de rotații în înfășurări și impedanța este proporțională cu pătratul acestui raport. Prin urmare, impedanța de ieșire a transformatorului, care mărește tensiunea la jumătate, depășește impedanța de intrare de patru ori (datorită stocării energiei), (b) Transformatoarele sunt imperfecte. La frecvențe reduse ale semnalelor, saturația magnetică poate provoca probleme, la capacități mari și la inductanța înfășurărilor, iar pierderile sunt întotdeauna observate datorită proprietăților magnetice ale miezului și rezistenței înfășurărilor. Acesta din urmă este, de asemenea, o sursă de zgomot termic. Cu toate acestea, atunci când lucrați cu o sursă de semnal care are o impedanță foarte mică, nu aveți de ales și folosiți un transformator, așa cum arată exemplul precedent, oferă un câștig uriaș. Pentru a îmbunătăți funcționarea unui semnal de nivel scăzut și rezistența scăzută a sursei sale, se pot folosi și astfel de aparate exotice transformatoare, transformatoare supraconductoare răcite și TRECI (Devices Interferența Superconducting Quantum). Cu ajutorul SCIP-urilor este posibil să se măsoare tensiunea de ordinul! (c) Din nou, avertizați: nu încercați să îmbunătățiți modul de funcționare prin adăugarea unui rezistor la o sursă cu o impedanță redusă. Tocmai vă găsiți o altă victimă a unei concepții greșite despre figura zgomotului.
Impedanță sursă mare.
La valori mari ale impedanței surse care depășește, să zicem, 100 kOhm, zgomotul curent al tranzistorului predomină, iar cel mai bun dispozitiv pentru amplificare cu zgomot redus va fi PT.
Fig. 7.52. Dependența densității de tensiune a zgomotului termic la rezistența la temperatură. Densitatea curentului de zgomot este prezentată și în modul scurt-circuit.
Deși el de tensiune de zgomot este de obicei mai mare decât cea a unui tranzistor bipolar, dar curentul de poarta, iar zgomotul este neglijabilă, astfel încât dispozitivele FET sunt ideale pentru amplificatoare care funcționează cu o sursă de semnal cu impedanță ridicată și să dea zgomot redus. În legătură cu aceasta, uneori este utilă tratarea zgomotului termic ca zgomot de curent, ceea ce face posibilă compararea contribuției zgomotului sursei și zgomotului de curent al amplificatorului (figura 7.52).
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: