Шапка

8.7 Соревнование между биполярными и полевыми транзисторами в картинках

==517

Пора применить на практике технику графического представления шумовых характеристик, описанную в §8.5.2 , совмещая приятное с полезным и разбирая «вечнозелёную» тему споров о том, какие транзисторы лучше: полевые или биполярные. Бой будет проходить между двумя лучшими представителями обоих классов путём беспристрастного сравнения их характеристик в самых благоприятных условиях.

В биполярном углу - восхитительный 2SD786, чьи реальные параметры показаны на графике 8.10 и представлены в табл. 8.1a на стр. 501 . Его напряжение шума около 0.5 nV/\(\sqrt{Hz}\) при 1 mA; непревзойдённая частота перегиба графика шума 1/\( f \) лежит сильно ниже 10 Hz; очень низкое \( r_{bb'}\) ( измеренное значение 2.3 Ω ) позволяет опуститься до 0.25 nV/\(\sqrt{Hz}\) при высоких токах коллектора. У него большая бета: выше 200 при токах порядка 1 μA , что позволяет достичь низкого шумового тока. Несменяемый фаворит всех аудиофилов.

==518

За ПТ выступает 2SK170 - n-канальный полевой транзистор, широко известный за потрясающе низкие шумовые параметры: напряжение шумов можно видеть на рис. 8.54 , а прочие характеристики перечислены в табл. 8.2 на стр. 516 . Справочные данные перекрывают только диапазон токов 200 μA...10 mA , но при известной аккуратности позволяют сдвинуть границу вниз до 100 μA , получая в итоге два порядка изменения тока. Очень перспективный боец с очень низким входным шумовым током ( порядка 1 fA/\(\sqrt{Hz}\) - дробовый шум для 3 pA тока утечки затвора ). На рис. 8.53 разрисован общий шум обоих претендентов на 1 kHz так же, как это делалось для 2N5087 67 .

Рис.8.53 Сравнение уровней плотности полного входного напряжения шума ( \(e_n\) ) на частоте 1 kHz для биполярного npn транзистора 2SD786 ( пунктирные линии ) и n-канального полевого 2SK170 ( сплошные линии )

==519

Ну и, чья взяла? Ответ не однозначен. ПТ выигрывает очки по уровню коэффициента шума NF( \(R_n\) ) , достигая феноменальных 0.0005 dB ( что соответствует шумовой температуре всего 33 милликельвина ! ) и проходя ниже 0.2 dB при импедансе источника сигнала в диапазоне 1 kΩ...100 MΩ . Для высоких сопротивлений источника ПТ вне конкуренции. На низких импедансах источника лучше оказывается биполярный транзистор, коэффициент шума которого ниже 0.2 dB для \(R_S\) от 1 до 10 kΩ при удобных токах коллектора. И хотя в терминах шума победа БТ выглядит сомнительно, у него есть дополнительные достоинства, а особенно высокая предсказуемость \( V_{BE}\) в сравнении с ПТ, чьё напряжение \( V_{GS}\) имеет огромный разброс.

Здесь следует не без грусти напомнить, что 2SD786 был снят с производства фирмой Toyo-Rohm, а 2SK170 Toshiba то ли доступен, то ли нет, всё как в настоящем боксе, где лучшие бойцы вчерашнего дня уходят из-за жёсткой конкуренции. Но, как в настоящем боксе, есть молодые претенденты в лучшие малошумящие транзисторы, которым пока не удалось поучаствовать в соревнованиях. Linear Integrated Systrms выпускает замену LSK170, которая работает столь же хорошо, как и оригинал, а биполярный ZTX851 от Zetex, не смотря на неспецифицированные шумовые характеристики, похоже, превосходит даже чемпиона - 2SD786 ( если судить по спектрам на рис. 8.12 и 8.17 ).

Но если требуется по-настоящему малое напряжение шума, следует обращаться к IF3601 фирмы InterFET: 0.35 nV/\(\sqrt{Hz}\) - типовое значение плотности шума, который даже УМЕНЬШАЕТСЯ на 30 Hz ! Это ПТ с низким входным током ( 100 pA тип. и, соответственно, низкий \(i_n\) - в районе 6 fA/\(\sqrt{Hz}\) ) , а значит, и его шумовое сопротивление составляет приблизительно 60 kΩ . Если усиливать с его помощью сигналы с таким же сопротивлением ( \(R_S\) =60 kΩ ), то результаты будут непревзойдённые: коэффициент шума 0.001 dB . Компоненты InterEET и Linear Integrated Systems можно купить только у производителей, но они не отказываются от небольших заказов.

Прежде чем бежать покупать ведро этих симпатичных таракашек следует учесть одно обстоятельство: у них очень высокая ёмкость входа и обратной связи ( 658 pF и 80 pF соответственно ), что, безусловно, снижает возможности по их использованию на переменном сигнале. Всё относительно, IFN146 лучше в этом отношении, но ценой увеличения напряжения шумов ( 75 pF и 15 pF , \(e_n\) =0.7 nV/\(\sqrt{Hz}\) ) . Такие параметры свидетельствуют, что у комплементарной биполярной пары ZTX851/ZTX951 с \(e_n\) =0.3 nV/\(\sqrt{Hz}\) , при средних величинах сопротивления источника и средних же частотах результаты будут лучше.

8.7.1 Что насчёт МОП транзисторов?

==520

МОП - самая обширная популяция ( в пропорции \(10\space ^{12}:1\) ) транзисторов на планете. ПТ с p-n переходом просто их бедные ( и забытые ) родственники. В разработке малошумящих устройств особенно в низкочастотной области ( например, в звуковой технике ) транзисторы с p-n переходом являются лучшим выбором и о них стОит помнить. Как объясняется в §8.9 , ПТ доминируют в области входных каскадов для операционных усилителей, где важны и малый входной ток, и низкое напряжение шума.

Так что же МОП- транзисторы? Первая проблема состоит в том, что найти малосигнальные МОП транзисторы в виде дискретных компонентов затруднительно. Они обычно имеют много большее напряжение шумов, чем ПТ с p-n переходом, особенно на низких частотах, где доминирует шум вида 1/\( f \) , причём частота перегиба может достигать величины 10...100 kHz . График на рис. 8.54 показывает зависимость напряжения шума от частоты для некоторых биполярных, МОП и полевых транзисторов, являя проблему во всей красе. Победителями выходят самые тихие биполярные ( малошумящие транзисторы с p-n переходом где-то рядом ), в то время как МОП транзисторы на этих частотах не попадают даже в тот же стадион ( а то и вовсе город ), о том, чтобы попасть в корзину, речь уже не идёт. Это главные причины, по которым найти среди МОП транзисторов элементы для малошумящего усилителя на частоту до 1 MHz не представляется возможным.

Рис.8.54 Сравнение шумовых спектров некоторых популярных МОП, полевых и биполярных транзисторов. Измерялись как самые тихие представители каждого из семейств, так и дешёвые ( дешевле $0.05 в партии ) и популярные массовые компоненты

МОП транзисторы используются, конечно, в малошумящих линейных усилителях, но исключительно в составе интегральных микросхем, предназначенных для работы в радиочастотном диапазоне. На высоких частотах их шумовые характеристики оказываются вполне приемлемыми, а КМОП процесс позволяет делать микросхемы за очень небольшие деньги.

МОП транзисторы используются также в ОУ с «нулевым дрейфом» : шумовое напряжение \(e_n\) этих усилителей не поражает воображение – типовые значения лежат в диапазоне 25...100 nV/\(\sqrt{Hz}\) , но у них отсутствует подъём 1/\( f \) на низких частотах, поэтому они оказываются самыми тихими усилителями для сверх низкочастотных применений. Картину довершает график на рис. 5.54 68 .

67 В предыдущих изданиях книги эталонами служили LM394 - «монолитная пара npn транзисторов со сверх высокой степенью согласования» ( \(e_n\)=1 nV/\(\sqrt{Hz}\) при \(I_C\)=1 mA ,против 0.6 nV/\(\sqrt{Hz}\) у чемпиона третьей редакции 2SD786 ) и 2N6483 - согласованная однокристальная пара n-канальных ПТ ( \(e_n\)=4 nV/\(\sqrt{Hz}\) при 100 μA против 1.7 nV/\(\sqrt{Hz}\) для теперешнего 2SK170 ). Сегодняшние бойцы - одиночные транзисторы, а не то, что давеча - согласованные пары, которые долго не уходили на покой, одерживая славные победы несколько десятилетий. <-

68 OPA188 и OPA2188 - высоковольтовые КМОП операционные усилители с автоподстройкой нуля в числе лучших представителей ( \(e_n\) порядка 9 nV/\(\sqrt{Hz}\) , частота перегиба 0.4Hz ), но вот поручиться за их входной шумовой ток сложно. <-

Previous part:

Next part: