М.Х. Джонс - Электроника практический курс (1055364), страница 17
Текст из файла (страница 17)
ситные улу 1е„' ггйгяг 1 1 1 1 Источник нгнм Зквне,немым оке г ° усилнтсче Рис. 5.8. Эквивалсггтная схема усилителя с эквивалегпными источниками шума на входе (а) схема с двумя источниками напряжения и источником тока, (Ы источник тока преобразован в эквивалентный ему источник напряжения. Согласование сопротивлений для минимизации шума уси.гителв 93 Необходимо добавить, что все эти величины е~, г~ и 1;~ пропорциональны ширине полосы усилителя. (Как говорится в таких случаях: чем шире распахиваешь окно, тем больше летит грязи.) Мы поступим в соответствии с общепринятой практикой и будем использовать единичную ширину полосы (2кТ= 1 Гц) в определенной точке частотного диапазона, скажем, на частоте 1 кГц. При фиксированной ширине полосы величина теплового шума ~'„,г постоянна во всех частях спектра, но значения е„, и гв меняются из-за 1//-' 2 2 шума.
Коэффициент шума, измеряемый в полосе 1 Гц, называют дифференциальным коэффициентом шума; говоря о нем, следует указывать также частоту, на которой он измерен. Объединяя вместе различные шумовые компоненты при определении Г„в. „, мы должны помнить, что все три источника независимы и фазовые соотношения между ними случайны. Другими словами, их сигналы некорре,гированы.
Единственный способ найти сумму таких сигналов заключается в том, чтобы сложить их средние квадраты г — 2 нег „;2 1;„(„„,) =Ум +е„вг'„Я, п (шд!) Г, 2 Поэтому 2 г(2 )чу=1-ь "," ' )х)Е = 1+ (5.12) Как и слеловало ожидать, величина ХГ всегда больше единицы. г Далее: мы знаем, что величина Г„-, целиком определяется тепловым шумом сопротивления Я, и, следовательно, равна 41гТК, (в полосе гт Т= 1 Гц), поэтому 2 .2йэ ) г Р 1 г г г 41гТК, (5.13) Теперь, дифференцируя (5.13), можно найти значение Я,, при котором коэффициент шума будет миниматен: (5.
14) Величина ХЕ минимальна, когда — О дЯ Чтобы вычислить коэффициент шума, необходимо значение полного шумового напряжения на входе. При известном сопротивлении источника сигнала Я,можно заменить источник шумового тока на эквивалентный источник напряженияг'",,)г~ (рис. 5.8 (Ь)) и осуществить сложение шумовых напряжений. 94 Согласование сопротивлений то есть при 2 2 )) 2 2» Таким образом, оптимальное значение выходного сопротивления источ ника сигнала, при котором коэффипиент шума ХЕ минимален, равно )'»(орб (5.15) Если е выражено в вольтах, а („— в амперах, то значение Я получается в омах, 5.9.5 Коэффициент шума и биполярный транзистор Шумовое напряжение е и шумовой ток ! определяются, главным образом, режимом первого каскада усилителя.
В каскаде на биполярном транзисторе и напряжение и ток растут с увеличением коллекторного тока покоя, но 1„ растет быстрее, чем е, так что )1, падает при больших значениях коллек- . ОРО торного тока. Наименьшее значение коэффипиента шума лля биполярного транзистора (в типичном случае 1 дБ) получается при очень малых токах коллектора (около 10 мкА). По этой причине Я„„ч относительно велико и составляет десятки килоом.
Во входной каскад следует ставить «малошумяший» транзистор, то есть транзистор с малым !/У-шумом. Не приходится и говорить, что хороший малошумяший транзистор должен также обладать достаточно большим коэффипиентом усиления тока при очень малых токах коллектора. Иногда в малошумяших схемах используют транзистор типа ВС!09; он очень похож на распространенный транзистор типа ВС107, но имеет больший коэффипиент усиления тока. На рис. 5.9 показаны типичные зависимости коэффипиента шума от сопротивления источника сигнала для маломошного кремниевого транзистора, такого как транзистор типа ВС109. Здесь шумовая полоса простирается от 30 Гп ло 20 кГп, так что указанные значения коэффипиента шума характеризуют устройство звукового диапазона.
Наименьшие значения коэффипиента шума получаются при 7 = 10 мкА и сопротивлениях источника сигнала в интервале от 10 кОм до 100 кОм. Заметьте, однако, что при сопротивлении источника сигнала всего лишь в 1 кОм лучше выбрать ток коллектора равным 100 мкА. Ясно, что для получения возможно меньшего значения коэффипиента шума, желательно иметь малый ток коллектора. Но что делать, если выходное сопротивление нашего источника сигнала много меньше, чем несколько десятков килоом, необходимых для минимизации коэффипиента шума в такой пепи? Один из ответов заключается в изменении сопротивления с помошью трансформатора, как это обсуждается в параграфе 5.!1.
Другой путь состоит в параллельном соединении нескольких входных транзисторов, как это делается иногла внутри интегральных микросхем. Согласование сопротивлений для лгинимизации шума усилителя 95 ЗО р я 1О р р 'Й с и О О~ ЬО Сапрогн рррр гмиррт рр Псм) Рис. 5.9. Типичные зависимости коэчзфиниента шума от сопротивления источника сигнала лля маломошного транзистора, такого как ВС!09 5.9.б Практический малошултгций усилитель На рис. 5. 10 приведена полезная схема малошумяшего усилителя, типичная в качестве входного каскада для высококачественных усилителей звукового диапазона. Коллекторный ток транзистора Т, — порядка !00 мкЛ. Считается удовлетворительным, если сопротивление источника лежит в пределах от 1 кОм до 20 кОм; при этом коэффициент шума может быть меньше, чем 2 дБ.
Оптимальное значение импеданса источника — около 5 кОм. Коэффициент усиления схемы жестко задается отрицательной обратной связью, образуемой резистором йг При указанных величинах сопротивлений коэффициент усиления напряжения равен !00. Схему нетрудно видоизменить, чтобы включить регулировку частотной характеристики, заменив резистор Я, на соответствующую комбинацию резисторов и конденсаторов. Такая конструкция применяется в усилителях звукового диапазона для выравнивания характеристики дисков. Отдельно (за счет резистора Я„) реализована обратная связь по постоянному току, стабилизируюшая режим покоя.
Читатель мог обратить внимание на тот факт, что теперь имеются два разных критерия согласования сопротивлений применительно к усилителю напряжения. Для максимальной передачи напряжения требуется, чтобы сопротивление источника сигнала было много меньше, чем входное сопротивление усилителя, тогда как для получения минимального коэффициента шума необходимо, чтобы сопротивление источника сигнала не было слишком малым.
Противоречат ли эти критерии один другому? К счастью, не противоречат, поскольку входное сопротивление усилителя обычно много больше, чем оптимальное сопротивление источника сигнала. 96 Согласование сопротивлении Рис. 5.10. Мязошумяший явухтрянзисторный усилитель напряжения. Коэффициент усиления =(й, ч- й, )/Я, = 100. Коэффипиент шума имеет минимальное значение при сопротивлении источника сигната 5 кОм. 5.9. 7 Шумы в полевых транзиопорах Преобладающими источниками шума в полевом транзисторе являются: (а) тепловой шум канала и (Ь) 177'-'шум, который особенно существенен на частотах ниже 1 кГп.
Дробовой шум пренебрежимо мал, так как единственный р-и переход образован затвором, по которому течет только очень маленький ток утечки. Тепловой шум канала можно учесть как шум включенного последовательно со входом лополнительного сопротивления, порождающего, как обычно, шумовое напряжение с эффективным значением (4ггтк,5р . Можно показать, что величина этого эквивалентного дополнительного сопротивления должна быть порядка 1/я; таким образом при типичных значениях я от 1000 мкСм до 3000 мкСм дополнительное сопротивление будет иметь величину порядка сотен ом. Поэтому шум дополнительного сопротивления будет существенным по сравнению с тепловым шумом источника сигнала только в том случае, если сопротивление последнего на самом деле очень мало.
В случае полевых транзисторов — в том, что касается звукового диапазона частот, — на первое место выдвигается 177"-шум. Он может сильно меняться от одного транзистора к другому. В общем случае шумовой ток на входе чрезвычайно мал в звуковом диапазоне частот, так что лучшие значе- Согласование сопротивлений для минимизации шума усилителя 97 ния коэффициента шума можно получить при больших сопротивлениях источника сигнала. Для полевых транзисторов с р-и переходом оптимальные значения сопротивлений источника сигнала лежат в пределах от 1МОм до 10 МОм, и в этом случае коэффициент шума обычно получается меньшим 1 дБ.
Очень хороших результатов можно достичь в звуковом диапазоне при сопротивлениях источника от 50 кОм до 100 МОм. На рис, 5.11 приведен малошумяший усилитель напряжения звукового диапазона с полевым транзистором на входе. Схема работает удовлетворительно с хорошими экземплярами транзисторов типа 2Х3819; при появлении какого-либо чрезмерного шума следует принимать меры по его устранению.
Входное сопротивление равно Я,! при необходимости его можно увеличить до нескольких сотен мегаом. Рис. 5. ! !. Малошумяший усилитель напряжения с полевым транзистором на входе. Подстройкой Я, устанавливают напряжение на коллекторе транзистора Т, равным + !О В. Коэффициент усиления напряжения м 1/Д = (Я, + Я, )/Я, = !00 Шумовые показатели оказываются низкими при сопротивлениях источника сигнала из интервала 50 кОм — ! 0 МОм.
За полевым транзистором следует стандартный усилитель на биполярных транзисторах, в котором используется схема Дарлингтона, чтобы избежать чрезмерного шунтирования 200-килоомного резистора Я, в пепи стока. Отрицательная обратная связь, охватываюшая весь усилитель и осушествляемая резисторами Я, и Я„ стабилизирует коэффициент усиления напряжения. Полстраиваемый резистор смешения Я, дает возможность компенсиро- 7 зак.
4129. 98 Согласование сонрошивлений вать разброс напряжений отсечки полевых транзисторов в широком диапазоне. МОП-транзистор, у которого нет р-н переходов вовсе, свободен от дробового шума. Однако в нем напряжение 1гг'-'шума может быть в 100 раз больше, чем у полевого транзистора с р-н переходом, Очень малый шумовой ток на входе и исключительно малый входной ток утечки означают, что можно использовать источники сигналов с большими значениями сопротивлений: необходимы величины порядка 100 МОм и выше, чтобы получить разумные значения коэффициента шума в звуковом диапазоне. На высоких частотах (десятки и сотни мегагерц) шумовые характеристики как полевого транзистора с р-и переходом, так и МОП-транзистора значительно изменяются.
Напряжение 1/у-шума более не является сушественным, а входной шумовой ток зачетно растет из-за емкостной связи между каналом и затвором. В этом случае оптимальное сопротивление источника сигнала может доходить до одной тысячной от значения, относяшегося к низким частотам. 5.10 Принцип изменения сопротивления Теперь, обсудив критерии согласования сопротивлений, уместно рассмотреть имеющиеся методы изменения выходного сопротивления, когда источник должен питать уже существующую нагрузку и критерий согласования не выполняется.
Два примера будут иллюстрацией того, с какими проблемами при этом можно столкнуться. (а) Нам нужно согласовать микрофон с 30-омным сопротивлением со вхолом малошумящего усилителя на биполярных транзисторах, подобного усилителю, привеленному на рис. 5.10, Входное сопротивление усилителя много больше, чем сопротивление микрофона, так что с передачей напряжения все в порядке. Однако для получения оптимального коэффициента шума, нужно, чтобы рассматриваемое со стороны усилителя сопротивление источника находилось в пределах от 1 кОм до 10 кОм.
Поэтому нам необходимо преобразовать сопротивление 30-омного микрофона до величины порядка 5 кОм. Чтобы выполнить это, следует воспользоваться повышаюшим трансформатором. (Ь) У нас имеется генератор с большим выходным сопротивлением, равным 10 кОм. Этот генератор необходимо использовать для тестирования ряда транзисторных усилителей с входными сопротивлениями из широкого диапазона от 1кОм до 20 кОм. Предположим, мы хотим на каждый усилитель по очереди подавать одно и то же напряжение сигнала, не производя изменений на выходе генератора. Мы должны преобразовать выходное сопротивление генератора так, чтобы его значение изменилось от 1О кОм до некоторой величины, не превышаюшей 100 ом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
