Назрела необходимость сделать МШУ с малым потреблением. Перебрав все известные ОУ и не удовлетворившись результатом решил попробовать на входе малошумящий биполярный транзистор.
Сейчас в железе собран каскад на одном транзисторе по схеме 1.

На схеме только первый каскад усиления, дальше идет остальная часть усилителя и фильтр НЧ, ограничивающий полосу пропускания в 350Гц.
Работает отлично, шумы 2,8нВ/sqrt(Гц) приведен.ко входу при токе коллектора 260мкА (практически это потребление всей схемы).
Для сравнения в схеме с OPA378 (20нВ/sqrt(Гц)) на выходе интегральный шум в 5 раз больше при соизмеримом токе потребления.
Скорей всего этот вариант схемы не пойдет -нелинейные искажения да и температурная стабильность будет проблемой. Сразу походу вопрос- можно ли получить тут КНИ меньше 0,1% если применить только локальную ОС (в эмиттере). Усиление транзистора нужно сохранить максимальным, чтобы не нахватать шумов по цепям питания и в последующих каскадах.

На второй схеме усилитель с ОУ в обратной связи.

В модели работает не хуже первого варианта, но емкость в 2200мк смущает. Хотелось бы от нее както избавиться, но обрезать НЧ нужно не выше 2Гц. Подскажите, какие еще схемотехнические решения тут можно применить?
ЗЫ. Референс на Х107 чтобы задавать уровень напряжения на коллекторе (и ток коллектора), Х108 призван генерировать "чистое" питание для первого каскада, поскольку шумы питания в данном варианте будут подавляться только в Ку транзистора раз, т.е цепь питания весьма критична к "чистоте".

Что-то я не понял первую схему. Получается транзистор с оторванной базой - источники тока имеют бесконечное сопротивление. Т.е. напряженческий шум исчезает вообще (источники тока стоят последовательно) а токовый шум нагружен на входное сопротивление транзистора. Так и задумано?

Ну получается, что шумовой ток это следствие дискретности заряда (элементарный заряд), в первой схеме он образуется в базо-эмиттерном переходе, когда ток источника I1 преодолевает потенциальный барьер перехода. Он усиливается в бетта раз и повторяется в коллекторном токе. Напряженческий шум же оказывается приложенный к большому сопротивлению источника тока и не создает токового шума, который передавался бы в коллектор.
Тут вроде все логично.
Но вот со второй схемой я чето никак не пойму что происходит. Ток базы такойже, шумы этого тока такиеже по идее, шум в коллекторе должен быть усиленным шумом базового тока, но это не так. Он его просто повторяет.

А как же иначе, на то и генератор тока.

Ну вот тут и начинаются те разногласия, о которых я как-то упоминал. То, что я скажу - вероятно не есть истина в последней инстанции, но такой подход меня не подводил.

Шумовая схема транзистора выглядит так. Напряженческий шум представляется идеальным источником напряжения включенным последовательно с базой. Шумовой ток представляется источником тока, включенным между базой и эмиттером. Во второй схеме он оказывается втекающим в эмиттер - отсюда его прямая передача в коллектор. А напряженческий шум не влияет, поскольку в эмиттер работают только источники тока и изменение напряжения на базе не приводит ни к каким изменениям.

Но, на самом деле, разделение на шумовой ток и шумовое напряжение несколько условно, просто, так удобнее рассчитывать изменение шума при изменении сопротивления источника шум= Eш +Iш*(Rист||Rвх)

Т.е. (в ОЭ) при нулевом сопротивлении источника остается только напряженческий шум, при бесконечном - работает токовый шум на входном сопротивлении транзистора. Примерно так.

Ага точно, терь дошло За счет 100% ООС по току, ток базы равен току эмиттера деленного на (BF+1), а соответственно ток коллектора почти равен току эмиттера. И стало быть шумовой источник, включенный между база-эмиттером не усиливается транзистором, а транслируется "как есть" на выход. Както я об этом совсем забыл
Ну а второй вопрос- есть ли тут возможность снизить токовые шумы усилителя?

Такое ощущение, что нет. Я немного поигрался, но, получается тот же шум, что в ОБ, что в ОЭ. Хотя это и выглядит странно, нужно еще подумать, но очень может оказаться, что так и есть.

В первой и второй схемах общий шум 3.3078 нВ/sqrt(Гц), в 3 и 4 - 3.3029 нВ. Это без вычитания шума резистора 600 ом на частоте 100 Гц при коэффициенте усиления 100 (выходное напряжение в 100 раз больше V3).


Ток транзистора - 0.7 мА. Разница невелика, хотя входные сопротивления существенно различны(0 - для схем 2 и 3 и бесконечность дла схем 1 и 4).
Скорее всего разница будет существенна если не охватывать общей ОС всю схему. Но тогда будут искажения.
Да, R3 - просто так, ни на что не влияет, симуляшка просит.

Ниче не понял, вроде у Вас для всех схем входное сопр.=600 Ом? Или нет?
И еще мне кажется не корректным бесконечное сопротивление в цепи коллектора. Всетаки Ку зависит от соотношения Rk/Rэ. Т.е в данном случае оно определяется диф.сопротивлением коллектора транзистора, которое тоже неизвестно какое.
ЗЫ. Постараюсь сегодня выложить свои результаты.

600 ом - это сопротивление источника сигнала. Оно постоянно. А входное сопротивление самой схемы зависит от типа обратной связи.
Для схем 2 и 3 ОС компенсирует сам входной сигнал (дельта U входа = 0) и, поэтому, их входное сопротивление равно нулю (при любом входном токе изменение напряжения на входе схемы равно нулю, с некоторой точностью ессно). В схемах 1 и 4 ОС компенсирует изменение базового тока транзистора (входного тока), поэтому входное сопротивление становится равным бесконечности (дельта I входа=0, т.е. изменение тока равно нулю при любом изменении входного напряжения).


Это неважно, во всех схемах этот параметр идентичен.

Аааа, все, теперь увидел


Вот тут не согласен я, не одинаков. Книжек под рукой нет- все на работе, поэтому приведу кусок того, что удалось найти: rк*=rк(1-h21б) - выходное сопротивление транзистора в схеме ОЭ ( в десятки раз меньше, чем rк в схеме с ОБ). Взято отсюда
Пытался я тут измерить коэф.усиления по напряжению в схемах ОЭ и ОБ, на приложенном рисунке видно что расчетный Ку для ОЭ почти в 2 раза больше, чем при моделировании. Подозреваю что это как раз изза rк, включенного между коллектор-база транзистора и дающего ООС по напряжению. Или причина также в том, что rк* в схеме ОЭ уменьшается до величины порядка 5-10кОм, шунтируя нагрузочное сопротивление. Но факт остается фактом, усиление в ОЭ все равно на порядок больше, чем в ОБ! И получается так, что выходные шумы каскада с ОЭ больше, чем у ОБ (изза бОльшего усиления), но приведенный ко входу шум почти одинаков!

Собственно, я рассуждал как: шумовой источник подключен параллельно база-эмиттер, и также параллельно сопротивлению источника сигнала. Но в случае с ОБ диф.сопротивление база-эмиттер в бетта раз меньше, чем входное сопротивление ОЭ. Соответственно вызванное шумовым током базы шумовое напряжение на входе ОБ будет в бетта раз меньше (напряженческий шум от внутренних сопротивлений пока не рассматриваем). И поскольку я считал, что усиление по напряжению обоих каскадов примерно одного порядка, должен быть выигрыш в приведенном шуме для схемы с ОБ. Но оказалось не так, оказалось что и усиление у обоих каскадов более чем на порядок разнится. И в результате имеем одинаковый приведенный шум.
К сожалению перерыв инет не нашел научного объяснения данному факту, кроме упоминания, что дескать шумовые характеристики ОЭ и ОБ примерно одинаковые, вторая схема применяется чаще на высоких частотах изза большего диапазона устойчивой работы. И все.

Коэффициент усиления и входной шум слабо связаны между собой, хотя эта связь (во входном транзисторе) и есть. Если мы добавим в тракт с достаточным начальным усилением еще один усилитель - входной шум не изменится.

Но ОЭ имеет большее усиление по мощности и большее входное сопротивление, поэтому он, вроде, должен шуметь меньше при больших сопротивлениях источника сигнала. Решил аккуратно разобраться, увеличив сопротивление источника сигнала до 5 ком. И тут же обнаружил одну вещь, которая влияла на предыдущие результаты - моя симуляшка учитывает постоянный ток через резистор и добавляет дополнительный шум (с неким коэффициентом) к собственному шуму резистора. Когда я озаботился сделать так, чтобы постоянный ток через резистор источника сигнала (ток базы или эмиттера в разных схемах) стал нулевым - сразу все стало на свои места. Оба варианта схемы с ОБ (параллельная и последовательная ОС, соответственно нулевое и бесконечное входное сопротивление усилителя) стали давать шум 11.035 нВ, а оба варианта схемы с ОЭ - 10.941нВ. Т.е., при большом сопротивлении источника сигнала, шум ОЭ меньше, чем ОБ. Стоит попробовать сделать то же самое для малых сопротивлений источника сигнала.

Я не об этом говорил
Уссиление я промерил только для того, чтобы удостовериться в правильности расчетов по формулам и убедиться что усиление по напряжению в схемах разное. Это все хорошо подтвердилось. Далее.
Вы сами сказали что источник шума в транзисторе включен параллельно эмиттерному переходу. Чтобы исключить влияние всяких общих обратных связей я оставил в схеме ТОЛЬКО один транзистор (посмотрите еще раз картинку двумя постами выше). Теперь видим что шумовой базовый ток идет через параллельное включенное сопротивление перехода база-эмиттер и сопротивление источника. Так вот (возможно я не прав, но мне так видится) теперь этот ток создает шумовое НАПРЯЖЕНИЕ, приложенное ко входу каскада, и соответственно усиливается им также как сигнал генератора. Согласен, что от коэфф.усиления входной шум тут не зависит, но он должен быть явно меньше в каскаде с ОБ (т.к его входное сопротивление в бетта раз меньше, чем у ОЭ и хорошо шунтирует токовый шум). Но по симуляции он выходит не меньше, а чуть больше. Почему же?

Наоборот, в каскаде с ОБ входной шум несколько больше, особенно при большом сопротивлении источника сигнала. Это связано с тем, что коэффициент усиления по мощности в ОБ ниже, чем в ОЭ.

Но, если использовать понятия шумового напряжения и шумового тока и считать их не зависящими от схемы включения (ОЭ или ОБ), то мы не увидим этой разницы. Сразу хочу предупредить - дальше писал из головы, мог и наврать, проверьте.

Давайте, для простоты, приведем все сигналы в напряжение на входе усилителя (пареход база-эмиттер) с учетом его Rвх (без влияния общей ОС).

Напряжение на переходе база -эмиттер будет равно
От сигнала Uвх_с=Uсигнала/(Rвх+Rист)*Rвх
От источника шумового напряжения Uвх_шн=Uшума/(Rвх+Rист)*Rвх
От источника шумового тока Uвх_шт=Iшума*Rвх*Rист/(Rвх+Rист)

Если теперь пересчитать полученные шумовые напряжения к входному источнику напряжения (до резистора сопротивления источника), то получим эквивалентные значения напряжения шума от шумового напряжения и шумового тока
Uшума_нэ=Uшума
Uшума_тэ=Iшума*Rист
Ка видно, входное сопротивление усилителя исключилось из выражений.

Т.е., если пользоваться понятиями шумового тока и шумового напряжения, то входное сопротивление усилителя (ОЭ или ОБ) не влияет на отношение сигнал/шум (без учета "тонких" параметров транзистора типа влияния выхода на вход). При изменении входного сопротивления вклад шумового напряжения не меняется, а увеличение вклада шумового тока при увеличении входного сопротивления компенсируется увеличением коэффициента передачи сигнала (снижением падения напряжения на Rист).

Но я уже говорил, что эти понятия несколько условны. Для выявления разницы следует использовать более точные шумовые модели, но это имеет небольшой смысл - разница в эквивалентном входном шуме усилителя, как видим, невелика - порядка 2% (данные предыдущего поста).

Здесь ошибка, т. к.
Rвх = Rэ * B
Iшума = Iшума коллекторного тока / sqrt(B)
Т. е. коэффициент усиления тока B определяет и входное сопротивление и входной шумовой ток, и, чем больше входное сопротивление, тем меньше входной шумовой ток.

Сообщение отредактировал alexkok - Nov 29 2010, 18:05