Глава двадцатая ШУМЫ УСИЛИТЕЛЕЙ

Многие инженеры полагают, что для получения наилучших характеристик схемы по шумам следует выбирать такое сопротивление источника сигналов, которое обеспечит минимум коэффициента шума. Они не учитывают тот факт, что при этом часто ухудшается отношение сигнал/шум'.

20.1. ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ

Коэффициент шума был введен как показатель сравнения усилительных устройств по шумам, однако его часто ошибочно применяют для определения условий работы схемы, обеспечивающих в ней получение наименьших шумов. Вместе с тем прямым показателем зависимости шумов в схеме от вида и режима ее работы является отношение сигнал/шум. Оно позволяет определить такие условия работы схемы, в частности схемы с использованием ОУ, при которых ее характеристики по шумам будут наилучшими. Из того факта, что данное отношение имеет максимум при условиях, не обеспечивающих наименьшее возможное значение коэффициента шума, становится ясно, что последний не всегда является надежным показателем шумовых характеристик конкретного усилителя. Коэффициент шума позволяет сравнить два усилителя при одинаковых условиях их включения, однако он не обеспечивает надежного сравнения двух различных схем, содержащих один и тот же усилитель.

20.2. КРИВЫЕ ШУМОВ

На рис. 20.1 приведены графики зависимости коэффициентов шума основных типов ОУ от сопротивления источника сигналов. Из этих графиков видно, что при данном сопротивлении источника можно получить оптимальные характеристики схемы по шумам, выбрав усилитель соответствующего типа. Каждая из представленных кривых имеет минимум при некотором значении сопротивления источника сигналов, оптимальном с точки зрения

Подробности см. в [10] списка дополнительной литературы.- XlpuM. ред,.

минимизации шумов в схеме. Однако для реальных схем на ОУ это в общем случае неверно.

Коэффициент шума служит для сравнения отношений сигнал/шум на входе и выходе усилителя, показывая относительное увеличение шумов в схеме, вносимое этим усилителем. Формула для коэффициента шума имеет вид:

Малое значение Кш указывает на то, что отношение сигнал/шум на выходе намного меньше этого отношения

10 D

too ш Wk WOk W WM WDM Я г, Ом

Рис. 20.1. График зависимости Кш различных типов ОУ от выходного сопротивления источника сигнала Rr (в полосе частот от О до 1 кГц).

1 - биполярный вход; 2 - ОУ с прерыванием; 3 - вход на МОП-транзисторах.

на входе усилителя, иными словами: если усилитель вносит в схему небольшой шум, то коэффициент шума будет мал и схема будет иметь хорошие характеристики по шумам. Ухудшение отношения сигнал/шум на входе также приводит к уменьшению значения Km, однако вряд ли это уменьшит шумы в схеме. В этом случае кажущееся улучшение параметров усилителя, выраженных через Кш, отражает тот факт, что за опорный уровень взято меньшее отношение сигнал/шум. Ниже будет показано, что в ряде случаев минимум коэффициента шума достигается за счет уменьшения отношения сигнал/шум на входе схемы; при этом суммарная характеристика схемы по шумам будет далека от оптимальной.

20.3. МОДЕЛЬ С ИСТОЧНИКАМИ ШУМОВ

Чтобы проанализировать, как происходит такое ухудшение шумовых характеристик в схемах на ОУ, обратимся к модели, показанной на рис. 20.2. Все источники шумов усилителя заменены на эквивалентные источники шумов, приведенных ко входу усилителя. Суммарное воздействие этих источников эквивалентно действию одного источника входных шумов, определяющему отноще-

нйе сигнал/шум данного усилителя. Токи шумов 1вх.1й, проходя по сопротивлению источника сигналов, создают на нем падение напряжения, которое, будучи просуммировано по среднеквадратичному закону с евх.т, даст суммарное напряжение входных шумов:

вх.Ш.Сум-V вх.шЧг'вх.ш^ (20.2)

Если добиться, чтобы это суммарное напряжение входных шумов стало минимальным, то получим макси-

О

WD 1Н тн won tM WM WDM Rp, Ом

Рис. 20.3. График зависимости суммарного напряжения входных шумов различных типов ОУ от сопротивления источника (эмпирические данные для ОУ типов 3050/01, 3071/25 и 3307/12С; бвх.ш.сум измерялось в полосе частот от О до 1 кГц).

/- биполярный вход; 2 - ОУ с прерыванием; 3 - вход на МОП-транзисторах.

Рис. 20.2. Эквивалентная схема для представления шумов ОУ.

мальное отношение сигнал/шум, а следовательно, и оптимальную характеристику схемы по шумам (рис. 20.3). Для этого сопротивление источника сигналов должно быть равно О, а не оптимальному с точки зрения

минимизации Кш значению. Из рис. 20.1 видно, что при уменьшении сопротивления источника сигналов до О Кш стремится к бесконечности. При увеличении сопротивления источника без увеличения уровня сигнала можно только увеличить шумы и ухудшить шумовые параметры схемы.

20.4. ОСОБЫЙ СЛУЧАЙ

Существует особый случай, когда увеличение сопротивления источника сигналов влечет за собой увеличение уровня сигнала, так что отношение сигнал/шум при этом может даже улучшиться. Этот случай имеет место при использовании на входе схемы трансформатора.