Шапка

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.

Рис.8.55 (A) Модель шумов операционного усилителя. (B) Источники шума для неинвертирующего усилителя

==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: \[ \begin{align} i^2_A &= i^2_n + 4kT\frac{1}{R_1} &\mathrm{A^2(rms)} &\qquad [8.40], \\ e^2_A &= e^2_n\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right )^2+4kTR_1\left(1+\frac{R_1}{R_2}\right )+(i_n R_1 )^2 \quad &\mathrm{V^2(rms)} &\qquad [8.41] \end{align} \]

Рис.8.56 Источники шума для инвертирующего усилителя

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.

69 См. Моценбахер, Коннели «Разработка малошумящих систем» [ C. D. Motchenbacher and J. A. Connelly, “Low-noise Electronic System Design”, Wiley ( 1993 ) ], где приведены полные уравнения для дифференциального усилителя. <-

70 Если дополнительный последовательный резистор добавляется на неинвертирующий вход ( для балансировки смещений, вызванных входным током, см. рис. 4.55 ), то следует предусмотреть и шунтирующий его конденсатор, чтобы подавить тепловой шум ( по аналогии с \( C_1 \) на рис. 8.78 ). <-

71 Можно подходить к вопросу со следующей позиции: ОУ целиком умещается в корпусе SOT23 как и обычный транзистор, а значит, не может стоить сильно больше. В табл. 8.3 есть более 60 микросхем в SOT23 и цены в районе $0.72 ( в партии 25 шт. ). <-

Previous part:

Next part: