1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО КАСКАДАМ МАЛОШУМЯЩИХ УСИЛИТЕЛЕЙ
1.1. Виды внутренних шумов
Внутренний шум усилителя можно разделить на четыре категории:
- приведенное к входу шумовое напряжение;
- приведенный к входу шумовой ток;
- фликкер-шум;
- попкорн-шум (низкочастотные скачкообразные изменения сигнала).
Наиболее распространенные параметры, используемые для анализа шума усилителя, — это приведенное к входу шумовое напряжение и приведенный к входу шумовой ток. Их часто описывают через приведенную к входу спектральную плотность шума или среднеквадратический шум в полосе Df = 1 Гц, как правило, в единицах пАvГц (для шумового тока) или нВvГц (для шумового напряжения). Деление возникает вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы
Приведенное к входу шумовое напряжение(en), как правило, представляют в виде генератора шумового напряжения.
Шумовое напряжение является характеристикой шума, на которую обычно делают основной акцент. Однако при высоких значениях входного импеданса ограничивающим фактором шумовых характеристик системы часто становится шумовой ток. Такое поведение аналогично смещениям в усилителе: зачастую считают, что выходное смещение определяется входным напряжением смещения, но при высоком импедансе на входе выходное смещение в действительности обуславливается током смещения.
Обратите внимание на следующие моменты, касающиеся приведенного к входу шумового напряжения:
- В лучших операционных усилителях спектральная плотность шума может быть даже ниже 1 нВvГц.
- У операционных усилителей на биполярных транзисторах шумовое напряжение традиционно ниже, чем у операционных усилителей на полевых транзисторах, но у них значительно выше шумовой ток.
- Шумовые характеристики усилителей на биполярных транзисторах зависят от тока покоя.
- В современных операционных усилителях на полевых транзисторах можно добиться одновременно и низких значений шумового тока, и значений шумового напряжения, близких к показателям усилителей на биполярных транзисторах (однако не настолько низких, как в лучших усилителях с входным каскадом на биполярных транзисторах).
Приведенный к входу токовый шум(in) обычно проявляется как два источника токового шума, прокачивающих токи через два дифференциальных входа.
Дробовой шум (иногда называемый шумом Шоттки) — это токовый шум, вызванный случайным распределением носителей заряда в токе, преодолевающем потенциальный барьер, например, р-n-переход. Дробовой шум (in) можно получить с помощью формулы:
i_n=v(2I_Bq qB ) , (1.1)
где IB — ток смещения в амперах (А);
q — заряд электрона в кулонах (1,6*10-19 Кл);
B — полоса пропускания в герцах (Гц).
Шумовой ток в усилителях с входными каскадами на простых биполярных транзисторах и на полевых транзисторах с p-n-переходом обычно отличается на 1 или 2 дБ от дробового шума входного тока смещения. Этот параметр не всегда приводится в спецификациях.
Отметим следующие моменты, относящиеся к приведенному к входу шуму:
Токовый шум обычного операционного усилителя на биполярных транзисторах, например, OPA227, составляет около 400 фАvГц, когда IB равен 10 нА, и существенно не изменяется с температурой, за исключением усилителей с компенсацией токов смещения.
Токовый шум в усилителях с входными каскадами на полевых транзисторах с p-n-переходом (такими как AD8610: 5 фА/vГц при IB = 10 пА), хотя и ниже по значению, удваивается на каждые 20 °С увеличения температуры микросхемы, поскольку токи смещения в усилителях с входными каскадами на полевых транзисторах с р-n-переходом удваиваются при росте температуры на каждые 10 °С.
В традиционных операционных усилителях с обратной связью по напряжению, имеющих сбалансированные входы, значения шумовых токов (коррелированных и некоррелированных) на инвертирующем и неинвертирующем входах обычно равны.
Во многих усилителях (особенно в тех, которые имеют схемы подавления входного тока смещения) коррелированная составляющая шума намного превышает некоррелированную составляющую. В целом, несмотря на распространенное мнение, уровень шума можно улучшить, добавив резистор для согласования импеданса (согласуя значения импеданса на обоих — положительном и отрицательном — входах).
Фликкер-шум операционного усилителя представляет собой в широком диапазоне частот гауссов шум с постоянной спектральной плотностью (белый шум), однако с уменьшением частоты спектральная плотность начинает возрастать. Этот рост зависит от технологического процесса производства, разводки кристалла ИС, а также типа устройства и составляет примерно:
- 3 дБ на октаву для КМОП-усилителей;
- 3,5-4,5 дБ на октаву для усилителей на биполярных транзисторах;
- до 5 дБ на октаву для усилителей с входными каскадами на полевых транзисторах с р-п-переходом.
Эта низкочастотная шумовая характеристика называется фликкер-шумом, или шумом 1/f поскольку спектральная плотность мощности шума имеет зависимость, обратную частоте (то есть 1/f). При логарифмической шкале наклон шумовой характеристики равен -1. Частоту, при которой экстраполированная линия спектральной плотности с наклоном -3 дБ на октаву (для КМОП-усилителей) пересекает линию постоянной широкополосной спектральной плотности, называют частотой излома характеристики 1/f Она является показателем качества усилителя. Несмотря на то, что усилители на биполярных транзисторах и полевых транзисторах с р-п-переходом имеют больший наклон характеристики по сравнению с КМОП-усилителями, частота излома 1/f у них ниже. Экстраполированная характеристика изображена на рисунке 1.
Рисунок 1- Экстраполированная характеристика спектральной плотности шума 1/f
Попкорн-шум — это внезапный скачок тока или напряжения смещения, длящийся несколько миллисекунд и имеющий амплитуду от единиц до сотен мкВ. Этот эффект имеет совершенно случайный характер. Наиболее благоприятные условия для возникновения попкорн-шума создаются при низких температурах и высоких сопротивлениях источника. Какой-то одной доминирующей причины попкорн-шума не существует, однако известно, что он может быть вызван загрязнением металлизации, а также внутренними дефектами или дефектами поверхности кристалла ИС. Несмотря на то, что при современных технологиях производства пластин кристаллов предпринимаются серьезные меры по сокращению источников попкорн-шума, полностью устранить его невозможно.
1.2 Суммирование источников шума
Шумовое усиление. Источники шума бывают белыми и гауссовыми. Белый шум — это шум, мощность которого в пределах заданной полосы частот постоянна. Гауссов шум — шум, вероятность появления конкретного значения амплитуды которого имеет гауссово распределение.
Гауссов шум обладает следующим свойством. При сложении среднеквадратичных значений шума от двух и более некоррелированных источников гауссова шума (когда один шумовой сигнал не может быть приведен к другому шумовому сигналу), результирующий шум будет равен не арифметической сумме, а квадратному корню из суммы квадратов отдельных среднеквадратичных значений:
V_(ni,TOTAL)=v(?(e_n)?^2+(R_s•?i_n)?^2+V_n ?(R_EX)?^2 ) , (1.2)
где Vni, TOTAL — общий приведенный к входу шум;
en — приведенное к входу шумовое напряжение;
in — приведенный к входу шумовой ток;
Rs — эквивалентное сопротивление источника или сопротивление на входе усилителя;
Vn(REX) — шумовое напряжение внешней части схемы. Отметим следующее:
Любое сопротивление на неинвертирующем входе обладает шумом Джонсона и преобразует шумовой ток в шумовое напряжение.
Шум Джонсона в резисторах обратной связи в высокоомных схемах может быть значительным.
На рисунке 2 графически представлено уравнение (1.2) как сумма векторов с использованием теоремы Пифагора.
Рисунок 2- Векторное суммирование источников шума
Шумы, которые обсуждались ранее, могут быть объединены в приведенный к входу шум схемы усилителя. Для того чтобы рассчитать общий выходной шум схемы усилителя, общий объединенный шум на входе должен быть умножен на шумовое усиление схемы усилителя. Шумовое усиление — это усиление схемы усилителя для приведенного к входу шума. Оно обычно используется для определения устойчивости схемы усилителя.
Для упрощения расчета шумового усиления источники шума в простой схеме усилителя могут быть объединены в один общий приведенный к входу источник шума (Vni, TOTAL ) , как показано на рисунке 3.
Рисунок 3- Упрощение схемы шумов усилителя
Обычно при расчете принято предполагать, что общий приведенный к входу шум прикладывается к неинвертирующему входу усилителя:
V_(no,TOTAL)=G_N•V_(ni,TOTAL) , (1.3)
где Vno, TOTAL — общий приведенный к выходу шум;
Vni, TOTAL — общий приведенный к входу шум.
G_N=1+R_1/R_2 , (1.4)
где GN — шумовое усиление;
R1 — эквивалентный импеданс цепи обратной связи;
R2 — входной эквивалентный импеданс.
В некоторых случаях шумовое усиление и усиление сигнала не являются эквивалентными (рисунок 4). Заметим, что полоса пропускания схемы с замкнутой обратной связью определяется делением произведения усиления на полосу (или частоты единичного усиления) на шумовое усиление схемы усилителя.
Рисунок 4- Сравнение усиления сигнала и шумового усиления
Малошумящие усилители. МШУ — электронное устройство, которое усиливает сигнал, имеющий очень малую мощность, без значительного ухудшения взаимосвязи сигнал/шум. Усилитель увеличивает мощность не только сигнала, но и шума, а также создает дополнительные шумовые помехи. МШУ спроектирован для их минимизации без влияния на согласование импеданса, увеличение мощности.
1.3 Использование малошумящего усилителя в измерительных устройствах
В качестве характерного примера использования ОУ в измерительных системах на рисунке 5 приведена схема с мостовым включением тензодатчика.
Рисунок 5- Схема прецизионного тензометрического усилителя
Данная схема обеспечивает высокий коэффициент усиления, равный 1006, при очень малых значениях смещения и дрейфа. Особенность приведенной схемы при указанных значениях точности исполнения резисторов состоит в том, что она обеспечивает КОСС = –108 дБ при значении КОСС собственно микросхемы усилителя –130 дБ.
1.4 Прецизионные операционные усилители с Rail-to-Rail выходом и расширенным диапазоном питающих напряжений
В категорию данных усилителей входят три типа 3. По своей схемотехнической идеологии они вполне могут быть отнесены к разряду ОУ. Их реализация основана на КМОП-технологии. При этом входные и выходные каскады этих усилителей построены по схемотехнике Rail-to-Rail.
Основные параметры усилителей данной группы приведены в таблице 1.
Тип Число
ОУ
в корп. есм,
мкВ Iсм,
фА КОСС,
дБ Усил.,
дБ Част.
един усил.,МГц ец,
нВ/vГц Iш,
фАvГц Is,
мА КОНИП,
дБ КНИ+
шум,
% Корпус
(тип-выв.)
LMP7701 1 ±37 ±200 138 130 2,5 9 1 0,67 98 0,02 SOT23-5
LMP7702 2 ±56 ±200 138 130 2,5 9 1 1,4 98 0,02 MSOP-8
LMP7704 4 ±56 ±200 138 130 2,5 9 1 2,9 98 0,02 TSSOP-14
Таблица 1. Параметры прецизионных операционных усилителей с Rail-to-Rail выходом и расширенным диапазоном питающих напряжений
Эти усилители требуют двухполярного источника питания и характеризуются широким диапазоном допустимых питающих напряжений, который составляет VS=V+–V– = 2,7…12 В. При этом гарантируется сохранение всех основных паспортных параметров усилителей. Температурный диапазон работы усилителей составляет от –40 до +125 °С.
Особо следует отметить шумовые параметры усилителей данной группы. Спектральная мощность шумового напряжения составляет всего 9 нВ/vГц, а шумового тока — лишь 1 фА/vГц. Это исключительно высокие показатели, которые позволяют использовать данные усилители для построения сверхточных измерительных интерфейсов разного назначения, прецизионных инструментальных усилителей, малошумящих активных RC-фильтров, различных устройств для мобильной аппаратуры, БУ для ЦАП.
Специфика схемотехники входных каскадов с их уникальными параметрами (по величине еСМ и входного тока смещения) приводит к наличию значительной входной емкости, величина которой составляет 25 пФ. Это обстоятельство требует использования в целом ряде случаев введения компенсирующей емкости для устранения возможного самовозбуждения. Такая емкость включается параллельно резистору обратной связи (рисунок 6).
Рисунок 6- Схема компенсации входной емкости
Величина компенсирующей емкости CF составляет от 1 до 5 пФ, что обеспечивает практически полную компенсацию входной емкости CIN. Кроме того, влияние CIN можно значительно уменьшить за счет выбора величины резистора R1, исходя из следующей оценки:
R_1
Показать весь текст...