КР1 / Лекции

-коэффициент усиления по i-й разности равен коэффициенту усиления неинвертирующего усилителя

-выходной сигнал не зависит от сигнала синфазной помехи

Исполнение условия требует, чтобы для максимального подавления синфазной помехи собственный коэффициент усиления неинвертирующего усилителя опорного канала должен быть немного больше единицы.

Выводы:

1.Рассмотрены схемы широко применяемых схем ДУ, их достоинства и недостатки

2.ДУ – важный элемент аналоговой интегральной схемотехники.

Входной каскад каждого ОУ реализуется по дифференциальной схеме

3.Применение БП и ПТ для реализации ДУ =>выбор схемы с предпочтительными параметрами для решения конкретной задачи

4.ДУ на основе ОУ по схеме измерительного усилителя, имеет большой Косс и позволяет регулировать Кuдиф в больших пределах с помощью одного потенциометра.

61

Лекция 5

Шумы в схемах УБП

В любой электрической схеме всегда присутствуют шумы.

Причины:

1.Неидеальность компонентов схема

2.Физические эффекты, не учитываемые при расчете

Шум – источник тока/напряжения с выходным сигналом в виде случайной величины с известным среднеквадратичным значением и спектральной плотностью.

Источники шума:

1.Внутренние

2.Внешние

При измерении сигналов в (мкВ/мВ) необходимо проводить проверочный расчет с целью определения величины шума.

Источники внешнего шума Внешние воздействия – влияние внешних компонентов и помех,

вызванных электрическими и электромагнитными полями. Помеха – сигнал в виде:

1.Коротких импульсов

2.Ступенчатых скачков

3.Синусоидальных колебаний

4.Случайного шума

Необходимо учитывать также шум от окружающих компонентов

схемы.

Шум Джонсона

Шум Джонсона (тепловой шум) – дает любое сопротивление при T > 0К (обусловлен тепловым движением носителей заряда)

где: Un – шумовое напряжение; In – шумовой ток;

R – сопротивление;

k– постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж/К);

Т– температура (К);

62

В – ширина полосы (Гц)

Внешний шум в схеме усилителя

Типовой шум R = 1кОм при комнатной температуре ≈ 4 нВ/√Гц

Другие источники шума – шум контактов, дробовой шум и паразитные эффекты.

Выходной шум схемы можно понизить, уменьшив суммарное сопротивление компонентов или ограничив ширину полосы схемы.

На практике ощутимый вклад в полный шум схемы вносят резисторы во входной цепи и в цепи ООС (при больших Ku)

При проведении анализа можно считать, что шум поступает от

источника тока/напряжения

Внутренние источники шума

Шум на выходе усилителя измеряется в виде напряжения

Категории внутреннего шума усилителя:

1.Приведенное к входу шумовое напряжение – en

2.Приведенный к входу шумовой ток – in

3.Фликкер – шум – 1/f

4.Попкорн – шум (низкочастотные скачкообразные изменения сигнала)

– 1/f2

Спектральная плотность шума

Приведенные к входу шумовое напряжение и ток описываются через приведенную к входу спектральную плотность шума (среднеквадратический шум в полосе ∆f = 1 Гц)

[пА/√Гц] / [нВ/√Гц]

√Гц вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы.

Модель с некоррелированными генераторами случайного шума

Шум на выходе усилителя измеряется в виде напряжения

63

Все внутренние шумы приводятся к входу – модель с некоррелированными (независимыми) генераторами случайного шума, подключенными последовательно или параллельно к входам идеального нешумящего

усилителя.

Эти источники шума считаются случайными и/или имеющими гауссово распределение.

Приведенное к входу шумовое напряжение

Представляют в виде генератора шумового напряжения

•В лучших ОУ спектральная плотность шума может быть < 1 нВ/√Гц

•У ОУ на БТ шумовое напряжение ниже, чем у ОУ на ПТ, но у них значительно выше шумовой ток

•Шумовые характеристики ОУ на БТ зависят от тока покоя

•В современных ОУ на БТ можно добиться одновременно и низких значений шумового тока, и значений шумового напряжения, близких к показателям ОУ на БТ (но не настолько низких, как в лучших усилителях с входным каскадом на БТ)

Приведенный к входу токовый шум

Проявляется как два источника токового шума, прокачивающих токи через два дифференциальных входа

•Токовый шум обычного ОУ на БТ ≈ 400 фА/√Гц (при Iв = 10 нА) и существенно не изменяется с температурой

•Токовый шум в усилителях с ВК на ПТ с p-n-переходом ≈ 5 фА/√Гц (при Iв = 10 пА), удваивается на каждый 20°С с увеличением температуры микросхемы (Iсм удваивается при росте температуры на каждые 10°С)

•В усилителях с ООС по напряжению со сбалансированными входами значения шумовых токов на инвертирующем и неинвертирующем входах равны

•Во многих усилителях коррелированная составляющая шума намного превышает некоррелированную составляющую

64

Уровень шума можно улучшить, добавив резистор для согласования импеданса на положительном и отрицательном входах.

Дробовой шум Дробовой шум (шум Шоттки) – токовый шум, вызванный случайным

распределением носителей заряда в токе, преодолевающем потенциальный барьер, например p-n-перехода

= √

где: Iв – ток смещения;

q– заряд электрона (1,6*10-19 Кл);

В– полоса пропускания (Гц)

Фликкер – шум

Фликкер – шум (розовый шум, шум 1/f) – низкочастотная составляющая шума ОУ, где спектральная плотность мощности имеет зависимость 1/f.

Показатель качества ОУ –

частота излома характеристики 1/f –

частота, при которой экстраполированная линия спектральной плотности с наклоном - 3дБ на октаву пересекает линию постоянной широкополостной спектральной плотности

Попкорн – шум Попкорн – шум – это внезапный скачок тока или напряжения смещения,

длящийся несколько миллисекунд и имеющий амплитуду 1…100 мкВ Обычно в спецификациях не указывается.

Благоприятные условия для возникновения – при низких температурах и высоких сопротивлениях источника

65

Может быть вызван загрязнением металлизации, а также внутренними дефектами или дефектами поверхности кристалла ИС.

При современных технологиях производства пластин кристаллов предпринимаются серьезные меры по сокращению попкорн – шума, но полностью устранить его невозможно.

Разновидности источников шума

1)Белый шум – шум, мощность которого в пределах заданной полосы частот постоянна.

2)Гауссов шум – шум, вероятность проявления конкретного значения, амплитуды которого имеет гауссово распределение

Суммирование источников шума

Для гауссова шума – при сложении среднеквадратичных значений шума от двух и более некоррелированных источников гауссова шума, результирующий будет равен квадратичному корню из суммы квадратов отдельных среднеквадратичных значений

, = √( ) + ( ) + ( )

где: Uni,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;

Un(REX) – шумовое напряжение внешней части схемы

66

Принцип суммирования

Уравнение Uni,total – сума векторов с использованием теоремы Пифагора

• Любое сопротивление на неинвертирующем входе обладает шумом Джонсона и преобразует шумовой ток в шумовое напряжение

• Шум Джонсона в резисторах обратной свзи в высокоомных схемах может быть значительным

Упрощение схемы шумов усилителя

Шумовое усиление Шумовое усиление – усиление схемы усилителя для приведенного к

входу шума. Используется для определения устойчивости схемы усилителя.

, = × ,

где: Uno,total – общий приведенный в выходу шум; Uni,total – общий приведенный к входу шум;

67

GN – шумовое усиление

= +

где: R1 – эквивалентный импеданс цепи обратной связи; R2 – входной эквивалентный импеданс цепи.

Полоса пропускания схемы с замкнутой ООС определяется делением произведения усиления на полосу (или частоты единичного усиления) на шумовое усиление схемы усилителя

В некоторых случаях шумовое усиление и усиление сигнала не являются эквивалентными.

Сравнение усиления сигнала и шумовое усиление

СЛУЧАЙ 1:

В неинвертирующей схеме и усиление сигнала, и шумовое усиление равны

1 + 1⁄ 2

СЛУЧАЙ 2:

В инертирующей схеме усиление сигнала равно

− 1⁄ 2, но шумовое усиление по-прежнему

1 + 1⁄ 2

68

Выбор малошумящего ОУ

График можно построить из спецификации.

Показаны значения плотности шумового

напряжения и RS, OP на частоте 1кГц

Диагональная линия – шум Джонсона, связанный с сопротивлением.

Показатель качества ОУ – RS, OP

RS, OP = en / in

где: en – приведенное к входу шумовое напряжение; in – приведенный к входу шумовой ток

69