8.8 Шумы дифференциальных усилителей и усилителей с обратной связью



==520

Малошумящие усилители часто делают дифференциальными, чтобы получить дополнительные преимущества от малого дрейфа и хорошего подавления синфазной составляющей. При расчёте их шумовых параметров следует учитывать три соображения:

1. при поиске \(e_n\) и \(i_n\) в справочных данных надо брать индивидуальные токи коллекторов, а не их сумму;
2. \(i_n\) на каждом из входных терминалов равен таковому в однополярном включении усилителя; и
3. \(e_n\) на одном входе будет на 3 dB больше ( в \(\sqrt{2}\) раз ), чем у одиночного транзистора, даже если второй вход заземлён.

В усилителях с обратной связью будет правильно иметь одинаковые источники \(e_n\) и \(i_n\) на сигнальном входе и входе обратной связи, чтобы вести расчёты шумовых параметров по одной схема с заданным импедансом источника. Условимся называть компоненты шума усилителя, пришедшие из цепи обратной связи, \(e_A\) и \(i_A\) . Тогда шумовой вклад усилителя в сигнал с импедансом \(R_S\) равен: \[ e^2=e^2_A+( R_S i_A )^2 \qquad \mathrm{V^2/Hz} \qquad [8.37] \]

Рассмотрим две конфигурации обратной связи по отдельности.

Неинвертирующая

Для неинвертирующего усилителя ( рис. 8.55 ) входные компоненты шума равны ⁶⁹ : \[ \begin{align} i^2_A &= i^2_n &\mathrm{A^2(rms)} &\qquad [8.38], \\ e^2_A &= e^2_n+4kTR_{∥}+(i_n R_{∥})^2 \qquad &\mathrm{V^2(rms)} &\qquad [8.39] \end{align} \] где \(e_n\) - «скорректированное» для дифференциальной конфигурации, т.е. увеличенное на 3 dB относительно одиночного транзистора, шумовое напряжение. Кроме того, в формулу входит тепловой шум резистора обратной связи и падение напряжения, вызванное протеканием через него шумового тока входного каскада. Следует отметить, что теперь говорить о полной независимости шумового тока и напряжения нельзя, и расчёты по схеме сложения квадратов величин дадут 1.4 кратную ошибку.



==521

Для повторителя \(R_2\) равно нулю, а источники действующего шума те же, что и для дифференциального усилителя. Отметим, что эти рисунки и формулы предполагают. что сопротивление источника сигнала равно нулю или как минимум мало по сравнению с параллельным соединением \(R_1 R_2\) ( на рис. 8.55 \(R_{∥}\) ) и тепловой шум не добавляет ⁷⁰ .

Инвертирующая

Для инвертирующего усилителя ( рис. 8.56 ) источники входного шума описываются так: \[ \begin{align} i^2_A &= i^2_n + 4kT\frac{1}{R_1} &\mathrm{A^2(rms)} &\qquad [8.40], \\ e^2_A &= e^2_n\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right )^2+4kTR_1\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right )+(i_n R_1 )^2 \quad &\mathrm{V^2(rms)} &\qquad [8.41] \end{align} \]

Для дифференциальных усилителей и обычных операционных усилителей два входных терминала имеют сравнимые шумовые напряжения и токи. Это не так для усилителей с токовой обратной связью ( CFB ) ( §X4.6 ): в них шумовой ток на инвертирующем входе обычно гораздо выше, чем на неинвертирующем [* т.к. инвертирующий вход низкоомный: его импеданс обычно находится в диапазоне 50...100 Ω ] .

Операционные усилители ОУ имеют дифференциальные входы и подчиняются общим правилам. Операционные усилители являются основным компонентом в большинстве аналоговых схем по достаточно очевидным причинам: они активно развиваются и имеют отличные параметры. Существуют тысячи моделей, оптимизированных под различные комбинации характеристик, включая точность, скорость, шум, потребление и напряжение питания. Если проблему можно решить операционным усилителем, то именно так и надо поступить ⁷¹ . Как можно догадаться, в следующем разделе рассматриваются шумы операционных усилителей.



==521