Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

где T — температура окружающей среды, обычно принимаемая равной 290 К.

Вообще говоря, хорошие малошумящие усилители имеют температуру шума гораздо ниже комнатной (или это эквивалентно тому, что коэффициент шума у них много меньше 3 дБ). Позже в этой главе мы объясним, как можно измерить коэффициент (или температуру) шума усилителя. Вначале, однако, нам нужно разобраться в шумах транзисторов и методах проектирования малошумящих схем. Мы надеемся, что последующие рассуждения прояснят то, что часто покрыто мраком непонимания. Мы уверены, что, прочитав следующие два раздела, вы никогда больше не будете введены в заблуждение коэффициентом шума!

Шум, порождаемый усилителем, легко описать с помощью простой модели, достаточно точной для многих целей. На рис. 7.42 е ш обозначает источник шума напряжения, последовательный по отношению к входному сигналу, а i ш обозначает шум входного тока. Транзистор (и вообще усилитель) предполагается бесшумным и просто усиливает напряжение входного шума, которое приходит к нему.

Рис. 7.42. Модель шумов транзистора.

Таким образом, усилитель дает полное напряжение шума е у , которое, будучи отнесено ко входу, равно

e у. эфф= [ е 2 ш + ( R иi ш) 2] 1/2В/Гц 1/2

Два слагаемых в скобках — это просто входное напряжение шума и напряжение шума, порождаемое прохождением шума входного тока усилителя через сопротивление источника. Так как эти два шума обычно не коррелированы, то, складывая квадраты их амплитуд, получим эффективное напряжение шума, поступающего на усилитель. При малом сопротивлении источника преобладает шум напряжения е ш , а при большом — шум тока i ш .

На рис. 7.43 для иллюстрации приведены кривые зависимости е ш и i ш от I K и f для 2N5087. Сейчас мы постараемся вникнуть в некоторые детали, описывая эти величины и демонстрируя, как вести проектирование для минимизации шума. Стоит отметить, что шум напряжения и тока для транзистора лежит в диапазоне нановольт и пикоампер на корень из герца.

Рис. 7.43. Зависимость эквивалентного среднеквадратичного входного напряжения шума е ши входного тока шума i шот коллекторного тока для p-n-транзистора 2N5087.

( Fairchild Camera and Instrument Corp.).

Шум напряжения е ш . Эквивалентный генератор шумового напряжения рассматривают как включенный последовательно с базой транзистора. Этот генератор представляет сумму теплового шума, порожденного объемным сопротивлением базы r б , и дробового шума коллекторного тока, порождающего шум напряжения на дифференциальном сопротивлении эмиттера r Э . Эти два слагаемых имеют следующий вид:

е 2 ш = 4k Tr б+ 2q I Kr 2 Э = 4k Tr б+ 2( kT) 2/(q I K) В 2/Гц

Они являются гауссовскими белыми шумами. В дополнение к этому существует некоторый фликкер-шум, порожденный прохождением тока базы через r б . Он существен только при больших токах базы, т. е. при больших токах коллектора. Поэтому величина е ш постоянна в большом диапазоне значений тока коллектора; она увеличивается при малых токах (дробовой шум тока через возрастающее сопротивление r Э ) и при достаточно больших токах (шум фликкер-эффекта от прохождения I Б через r б . Последний эффект существен только на низких частотах из-за зависимости 1/ f . Например: на частотах свыше 10 кГц у 2N5087 е ш равно 5 нВ/Гц 1/2при I K = (10 мкА и 2 нВ/Гц 1/2при I K = 100 мкА. На рис. 7.44 показаны кривые зависимости е ш от частоты и тока для малошумящей дифференциальной nрn -пары LM394 и малошумящего 2SD786 производства фирмы Toyo-Rohm. В последнем используется специальная геометрия для достижения необычайно низкого r б = 4 Ом, что позволяет получить самые низкие на сегодня значения е ш .

Рис. 7.44. Зависимость входного напряжения шума е шот коллекторного тока для двух малошумящих биполярных транзисторов.