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

Шум тока i ш .Шумовой ток следует учитывать, так как он порождает дополнительный шум напряжения на полном сопротивлении источника сигнала. Основным источником шума тока являются флуктуации дробового шума в установившемся токе базы, складывающиеся с флуктуациями за счет фликкер-шума в r б . Вклад дробового шума — это шум тока, возрастающий пропорционально корню квадратному из I Б (или I K ) и имеющий плоский частотный спектр, в то время как составляющая фликкер-шума растет с I K быстрее и имеет обычную частотную зависимость вида 1/ f . Взяв опять для примера 2N5087 на частотах свыше 10 кГц, имеем i ш около 0,1 пА/Гц 1/2при I K = 10 мкА и 0,4 пА/Гц 1/2при I K = 100 мкА. Шум тока растет, а шум напряжения спадает при увеличении I K . В следующем разделе мы увидим, как это обстоятельство определяет выбор значений рабочих токов в малошумящих схемах. На рис. 7.45 показаны графики зависимости i ш от частоты и тока для малошумящей пары LM394.

Рис. 7.45. Входной ток шума для биполярного транзистора LM394. а— зависимость от тока коллектора; б— зависимость от частоты.

Факт, что е ш падает, а i ш растет с ростом тока I K , дает возможность оптимизировать рабочий ток транзистора для получения минимального шума при данном источнике сигнала. Снова взглянем на модель (рис. 7.46).

Рис. 7.46. Модель шумов усилителя.

«Бесшумный» источник сигнала u и имеет добавку в виде генератора напряжения шума (теплового шума его внутреннего сопротивления) e 2 Rи = 4k TR и В 2/Гц. Усилитель добавляет сюда свой собственный шум:

е 2 у = е 2 ш + ( i шR и) 2В 2/Гц.

Таким образом, напряжение шума усилителя добавляется к входному сигналу и кроме того шум тока усилителя порождает шум напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Эти два шума не коррелированы (за исключением очень высоких частот) и их квадраты складываются. Наша цель-как можно сильнее уменьшить общий шум усилителя. Это легко сделать, если известно R и , так как достаточно посмотреть на зависимость е ш и i ш от I K на частотах сигнала и выбрать I K , минимизирующее е 2 ш+ ( i шR и ) 2. Если вам повезло и у вас есть карта линий уровня коэффициента шума на поле I K и R и , то вы быстро сможете определить оптимальное значение I K .

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 + [ е 2 ш + ( i шR и) 2]/(4k TR и)} дБ.

При I K = 10 мкА, е ш = 3,8 нВ/Гц 1/2, i ш = 0,29 пА/Гц 1/2, а 4k TR и = 1,65·10 -16В 2/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.