Учебное пособие «Микросхемотехника Аналоговая микросхемотехника»

Следует помнить, что время восстановления, необходимое для выхода из положительного насыщения Uвых.max , может существенно отличаться от времени восстановления, необходимого для выхода из отрицательного насыщенияU .

U0

U0

U0

tв

t

Рисунок 3.20 — Время восстановления выходного напряжения

Коэффициент ослабления нестабильности источника пита-

ния KонИП определяется отношением изменения напряжения сме-

щения вследствие изменения напряжения питания к изменению напряжения питания и обычно выражается в децибелах. Коэффициент KонИП обычно очень мал — от –80 до –100 дБ. Например, при KонИП= –100 дБ и амплитуде пульсаций напряжения источника питания 1 В соответствующее изменение выходного напряжения составляет 0,01 мВ.

тЫПУ‚˚В ı‡р‡НЪВрЛТЪЛНЛ УФВр‡ˆЛУММУ„У ЫТЛОЛЪВОfl

Реальные свойства ОУ в значительной степени проявляются через наложенную на сигнал составляющую ошибки, вызываемую шумовыми свойствами отдельных частей усилителя, их старением или их чувствительностью к внешним помехам.

– 131 –

С точки зрения воздействия шумов самым критичным функциональным узлом ОУ является его входной каскад. Именно здесь сигнал самый слабый и, следовательно, наиболее чувствительный к воздействию шумов. Поэтому для количественной оценки естественным является выбор источников погрешности, приведенной ко входу (входной погрешности), эквивалентных по своему воздействию проявлениям шумов в реальном операционном усилите-

ле (рисунок 3.21). На рисунке Еош, Iош, Iош — эквивалентные ис-

точники погрешностей в виде случайных функций, создающие в ОУ аддитивные погрешности, не зависящие от уровня полезного сигнала.

Входное напряжение ошибки Еош есть такое значение диффе-

ренциального входного напряжения при нулевом синфазном входном напряжении, которое соответствует нулевому выходному напряжению в отсутствие нагрузки ( Еош Uвх.д ).

Входной ток ошибки Iош или Iош — это такое значение тока

инвертирующего и неинвертирующего входов, которое при нулевом синфазном входном напряжении соответствует нулевому вы-

ходному напряжению в отсутствие нагрузки ( Iош Iвх1; Iош Iвх2 ).

Iвх1 Eош

Iвх2

Iош Iош

Рисунок 3.21 — Схема операционного усилителя

сэквивалентными источниками погрешностей

ввиде случайных флуктуаций

Собственные шумы ОУ определяются через входное напряжение шумов Eш (шумовой компонент напряжения ошибки Eош )

– 132 –

и входные токи шумов Iш , Iш (шумовые компоненты токов ошибки Iш , Iош). Учитывая статистическую природу шумов, обычно приводят только общее значение Iш , под которым подразумевается Iш или Iош. Как правило, напряжения шумов и токи

шумов не связаны между собой, но иногда они могут содержать взаимосвязанные составляющие.

Источники шумов Eш, Iш могут приводиться либо в форме

интегральных шумов, либо в виде спектральной плотности шумов.

Интегральная характеристика шумов, соответствующая со-

ставляющим шума в определенной полосе частот, представляет собой эффективное (действующее, среднеквадратичное) значение напряжения Eш или тока Iш за достаточно большой промежуток

времени.

Спектральные плотности eш В Гц и iш А Гц вход-

ных напряжения Eш и тока Iш выражают в дифференциальной форме частотную зависимость среднеквадратичных значений Eш и Iш в определенном диапазоне частот f:

Зная частотную зависимость спектральных плотностей eш и iш в виде аналитического выражения, в графической форме или,

по крайней мере, в виде двух дискретных значений, можно определить среднеквадратичное значение шума в определенной полосе частот ( f1, f2 ) путем аналитического или численного интегриро-

вания:

В ОУ на биполярных транзисторах проявляется действие четырех механизмов, генерирующих шумы четырех типов: тепловые, дробовые, вида 1/f и импульсные.

– 133 –

Тепловой шум (или шум Джонсона) порождается хаотическим тепловым движением свободных электронов в интегральных резисторах. Его уровень не зависит ни от тока, протекающего через резистор, ни от падения напряжения на резисторе. Эквивалентная модель резистора R с шумами представляет собой схему, содержащую резистор R без шумов с последовательно включенным па-

раллельно источником тока шумов Iш ERш (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22 — Эквивалентные источники белого шума интегрального резистора

Среднеквадратичные (эффективные) значения напряжения Eш и тока Iш , наблюдаемые в полосе частот f f1 f2 , опреде-

ляются формулами

где k 1,38 10 23 Дж/К — постоянная Больцмана.

Тепловой шум является белым шумом, то есть его спектраль-

Дробовой шум (шум Шоттки) является результатом случайных флуктуаций тока при протекании его через полупроводниковый переход. Эквивалентная модель (рисунок 3.23) p-n-перехода

– 134 –

с шумами, возникающими при прохождении через него в прямом и обратном направлении среднего тока I, состоит из не создающего шумов p-n-перехода и включенного параллельно с ним источника тока шумов, наблюдаемых в полосе частот f :

где qe 1,60 10 19 Кл — заряд электрона.

Дробовой шум также является белым шумом и имеет спектральную плотность

Формулы (3.50) и (3.52) при проверке на реальных резисторах и диодах дают хорошее совпадение с результатами измерений в некоторой средней полосе частот. Ниже этой полосы наблюдаемые значения спектральных плотностей шумов обычно возраста-

ют. Этот избыточный шум (фликкер-шум, шум вида 1 f ) можно

отнести к шуму, образуемому за счет еще одного частотно-зави- симого механизма. Фликкер-шум налагается на белый шум и доминирует на низких частотах. Такого рода шум есть во всех электронных компонентах, включая резисторы, и связан с технологией изготовления ИС (с неоднородностями полупроводника, состоянием поверхности полупроводниковых областей ИС и т.д.).

Рисунок 3.23 — Эквивалентный источник белого шума интегрального p-n-перехода

Спектральная плотность напряжения или тока избыточных шумов обычно аппроксимируется гиперболой 1 f (отсюда термин

– 135 –

«шум вида 1 f »), которая в логарифмическом масштабе имеет вид

Еще чаще избыточный шум, аппроксимированный шумом вида 1 f , формально включается в тепловой и дробовой шумы в ви-

де поправок для низких частот. При этом скорректированные выражения для спектральных плотностей имеют вид:

для шума резистора

для шума p-n-перехода

Частоты ( fc )e и ( fc )i — это частоты сопряжения шумовых спектров eш( f ) и iш( f ) , представленных в логарифмических ко-

ординатах (рисунок 3.24). В зависимости от вида шумового компонента значения этих частот располагаются в диапазоне 1 Гц – 100 кГц (типичное значение частоты сопряжения приблизительно равно 100 Гц).

Рисунок 3.24 — Спектральные плотности напряжения и тока шумов

– 136 –

Биполярный транзистор состоит из двух взаимосвязанных p-n-переходов и на рисунке 3.25,а показаны два эквивалентных источника шума этих переходов.

Рисунок 3.25 — Физические эквиваленты источников шума биполярного транзистора (а) и эквивалентные им источники шумов Eш.БТ , Iш.БТ (б)

Прохождение носителей заряда через переход коллектор-база сопровождается током дробовых шумов в цепи коллектора Iш.к,

имеющим спектральную плотность

где Iк — средний ток коллектора.

Рекомбинация носителей заряда в базе сопровождается базовым током дробовых шумов Iш.б, спектральная плотность которо-

го определяется выражением

где Iб — среднее значение базового тока.

Распределенное сопротивление базы rб связано с напряжением тепловых шумов Eш.б , имеющим спектральную плотность

eш.б 4kTrб .

– 137 –

Все три генератора шумов — Iш.к, Iш.б, Eш.б — можно заменить двумя эквивалентными источниками шумов — Eш.БТ и Iш.БТ

(рисунок 3.25,б). Эти эквивалентные составляющие шумов являются независимыми и суммируются по правилу получения среднеквадратичного значения двух величин. К компонентам Eш.б и

Iш.б данное правило применяется непосредственно, а компонент

Iш.к предварительно делят на крутизну gт qkTe Iк или коэффици-

ент усиления по току .

Таким образом, спектральные плотности эквивалентных источников шума Eш.БТ и Iш.БТ в диапазоне белого шума можно за-

писать как

практически полностью определяется плотностью дробового тока базы iш.б.

Спектральная плотность эквивалентного напряжения шумов eш.БТ имеет две составляющие.

При больших коллекторных токах преобладает тепловой шум сопротивления базы rб . Спектральная плотность этого шума eш.БТ

представляет собой тот минимум, ниже которого шумы данного транзистора быть не могут.

Высокий уровень коллекторных токов в режиме покоя нетипичен для транзисторов входных каскадов ОУ, так как при этом требуются большие входные токи смещения.

– 138 –

Необходимое уменьшение коллекторных токов влечет за собой увеличение второй составляющей eш.БТ , что обусловлено

уменьшением крутизны gт. Таким образом, при малых коллек-

торных токах, то есть там, где преобладает дробовой шум, выражение для eш.БТ упрощается:

Биполярный транзистор, особенно в монолитной интегральной схеме, является источником еще одного вида шумов —

бистабильного, или импульсного, шума, который также зависит от технологического процесса производства ОУ, а его представление в функции частоты связано с непреодолимыми трудностями.

На практике интегральный шум ОУ следует измерять в двух частотных диапазонах. Низкочастотный шум, выражаемый в двойных амплитудных значениях, перекрывает полосу частот 0,01–1 Гц, широкополосный шум, выражаемый в эффективных

где gк — эффективная проводимость канала, достаточно хорошим приближением которой является крутизна gт.

Потоку носителей заряда через переход затвор-канал сопутствует возникновение тока дробовых шумов затвора Iш.з со спек-

тральной плотностью

где Iз — средний ток затвора.

– 139 –