Средний квадрат напряжения теплового шума зависит только от активного сопротивления проводника и абсолютной температуры проводника и может быть рассчитан по формуле Найквиста:
где — постоянная Больцмана, — полоса частот, в которой проводятся измерения.
- Суммирование источников шума
- как сумма векторов с использованием теоремы Пифагора. Рис. 3. Векторное суммирование источников шума Шумовое усиление 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 на рис. 1 могут быть объединены в один общий приведенный к входу источник шума (Vni, TOTAL ) , как показано на рис. 4. Рис. 4. Упрощение схемы шумов усилителя Обычно при расчете принято предполагать, что общий приведенный к входу шум прикладывается к неинвертирующему входу усилителя: где Vno, TOTAL — общий приведенный к выходу шум; Vni, TOTAL — общий приведенный к входу шум. 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 (рис. 5). Заметим, что полоса пропускания схемы с замкнутой обратной связью определяется делением произведения усиления на полосу (или частоты единичного усиления) на шумовое усиление схемы усилителя. Рис. 5. Сравнение усиления сигнала и шумового усиления 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 Внешний шум включает любые типы внешних воздействий, таких как влияние внешних компонентов и помех, вызванных электрическими и электромагнитными полями. Помеха может представлять собой сигнал в виде коротких импульсов, ступенчатых скачков, синусоидальных колебаний или случайного шума. Источником помех может быть что угодно: работающие механизмы, линии электропитания, которые расположены поблизости, радиоприемники или радиопередатчики, компьютеры и даже схемы, входящие в состав того же оборудования, что и элемент, на который воздействует помеха (цифровые схемы или импульсные источники питания). Даже если можно было бы исключить все помехи путем грамотного проектирования и/или разводки печатной платы, то все равно останется случайный шум самого усилителя и компонентов его схемы. Необходимо учитывать также шум от окружающих компонентов схемы. При температурах выше абсолютного нуля любое сопротивление представляет собой источник шума, который обусловлен тепловым движением носителей заряда и называется шумом Джонсона, или тепловым шумом. Этот шум возрастает при увеличении сопротивления, температуры и полосы частот. Шумовые напряжение и ток описываются выражениями: где Vn — шумовое напряжение (В); k — постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж/К); T — температура в градусах Кельвина (K); B — ширина полосы в герцах (Гц); R — сопротивление в омах (Ом); In — шумовой ток в амперах (А). Типовой шум, генерируемый резистором номиналом 1 кОм при комнатной температуре, составляет примерно 4 нВ√Гц. При проведении более глубокого анализа необходимо также учитывать и другие источники шума резистора, такие как шум контактов, дробовой шум и паразитные эффекты, присущие конкретному типу резистора. В статье мы ограничим возможные источники шума резистора только шумом Джонсона и будем считать, что шум резистора пропорционален квадратному корню его номинала. Реактивные сопротивления не генерируют шум, однако протекающие через них шумовые токи приводят к появлению шумового напряжения, а также других паразитных эффектов. Выходной шум схемы можно понизить, уменьшив суммарное сопротивление компонентов или ограничив ширину полосы схемы. Снижение температуры особого эффекта обычно не дает, если только вам не удастся очень сильно охладить резистор, поскольку мощность шума пропорциональна абсолютной температуре: Все резисторы, входящие в состав схемы, генерируют шум, и его влияние всегда нужно учитывать. На практике ощутимый вклад в полный шум схемы, скорее всего, будут вносить только резисторы во входной цепи и в цепи обратной связи (обычно при больших коэффициентах усиления). При проведении анализа можно считать, что шум поступает от источника тока или от источника напряжения (в зависимости от того, какой из вариантов более удобен для конкретной схемы). Приведенное к входу шумовое напряжение Представляют в виде генератора шумового напряжения Соседние файлы в папке КР1 Уменьшение СМ-шумов Выше было проведено обсуждение возможностей оптимизации фильтра для уменьшения DM-шумов. Те же самые соображения можно применить и к фильтру, предназначенному для подавления СМ-шумов. Как было сказано ранее, СМ-шумы в значительной мере появляются из-за паразитной емкости, подключенной к земле. Упрощенная схема одного из часто применяемых источников показана на рис. 11. На этой схеме показан асимметричный мощный выходной каскад с ключевым полевым транзистором, который переключает обмотку трансформатора. Таким образом, при частоте переключения 200 кГц максимальное напряжение на стоке полевого транзистора составит 2 Vin = 400 В с временем нарастания и спада 100 нс, что и показано на рисунке. Если, например, полевой транзистор упакован в корпус ТО-220 и установлен на заземленном радиаторе с изолирующей шайбой, то паразитная емкость стока относительно земли может лежать в диапазоне 12–32 пФ. Беря емкости с более низким значением и решая уравнение I = C (dV/dt), приходим к пиковому току ±48 мA — довольно значительная величина наведенного на землю шума. На рис. 12 показано, как этот наведенный ток завершает свой путь назад к линиям подачи мощности и, протекая через два 50-омных резистора LISN, таким образом создает напряжение шумов на каждом выходе LISN. Рис. 11. Типичный источник СМ-шумов — емкостная связь стока, коммутирующего напряжение, полевого транзистора и заземленного радиатора Рис. 12. Ток, протекающий в земле и путь его возвращения через выходные сопротивления LISN Решение этой проблемы — вставка последовательно СМ-току фильтра и определение его характеристик, что легче всего достигается при использовании эквивалентной схемы для напряжения шумов, которая также показана на рис. 12. Эта эквивалентная схема разработана с учетом того, что на стоке полевого транзистора присутствуют импульсы величиной 400 Впик-пик. Считая, что мы работа ем в режиме с 50-процентным циклом переключения, среднеквадратическое значение этого сигнала равно 200 В на частоте пере ключения 200 кГц. Так как эта частота ниже того минимума, который определил FCC (450 кГц), то можно игнорировать основную частоту переключения и рассматривать только ее третью гармонику — 60 Вскз на частоте 600 кГц, считая ее вклад в спектр шумов наиболее значительным. Этот сигнал приводит к появлению напряжения шумов на резисторах LISN, которое приблизительно равно 68 мВ и, как кажется, имеет довольно маленькое значение, но ее значение должно быть сравнено с предельной величиной уровня шума — 1,0 мВ для изделий Класса АFCC на частоте 600 кГц. ( Предел для Класса B устанавливается еще ниже — 250 мкВ.) Чтобы уменьшить значение 68 мВ ниже порога 1,0 мВ, необходимо вставить фильтр, который и произведет ослабление 37 дБ на частоте 600 кГц. Один из способов достичь этого — добавить последовательно обычную катушку индуктивности. Теперь можно рассчитать требуемую индуктивность для получения значения реактивного сопротивления, в котором мы нуждаемся на частоте 600 кГц, как это показано на рис. 13. Однако анализ этого решения показал, что в то время как требуемая индуктивность будет равна 419 мГн, паразитная емкость этой индуктивности должна быть не более 0,17 пФ. Вряд ли это возможно! Рис. 13. Достижение ослабления 37 дБ с добавочной катушкой требует катушки с нереалистично низкой паразитной емкостью Теперь попробуем шунтировать 25-омную нагрузку конденсатором, как это показано на рис. 14, чтобы понизить ее импеданс и добиться предельного падения напряжения 1,0 мВ. Произведя те же самые вычисления, приходим к необходимости подключения емкости 760 нФ, которая к тому же должна иметь паразитную последовательную индуктивность не более 93 нГн — только при этом все еще будут выполняться требования ослабления. В то время как это решение выглядит достаточно жизнеспособным, мы сталкиваемся с другой проблемой, заключающейся в том, что, если вход этого источника электропитания подключен к линии AC, то обычно спецификации безопасности устанавливают номинал входных конденсаторов не более 10 нФ. Рис. 14. Достижение ослабления 37 дБ с шунтирующим конденсатором требует неприемлемо большого его значения Рис. 15. Использование шунтирующего конденсатора и индуктивности обеспечивает решение с практическими значениями для обоих элементов Таким образом, наконец, попробуем найти наилучшее решение для входного СМ-фильтра, включив и индуктивность, и шунтирующую емкость, но с разумными величинами для каждого компонента, причем учтем значения их паразитных параметров. Это решение показано на рис. 15 и обычно выполняется с двухобмоточной индуктивностью на одном сердечнике в такой конфигурации, что постоянный ток, вызванный работой системы DC электропитания, не будет способствовать насыщаемости сердечника. Конечно, в этой схеме все шунтирующие конденсаторы соединены вместе для обеспечения заземления. Входной СМ-фильтр, вероятно, также придется зашунтировать для предотвращения проблем с резонансом, но так как максимальный номинал выпускаемых емкостей ограничен, то обычно требуемую емкость делят на два конденсатора, а затем помещают резистор соответствующего номинала по следовательно с одним из них. На рис. 16 показана окончательная схема входного фильтра, объединяющая фильтры СМ и DM. На этом рисунке входная нагрузка проявляет себя как протекание тока слева направо, от АС-линии до входного выпрямителя системы электропитания. Шумовой сигнал, наоборот, течет справа налево, от импульсного источника назад к входам AC-линии. Рис. 16. На этой схеме показаны компоненты фильтра, необходимые для уменьшения шумов Работая справа налево, Cd1 и Ld1 представляют собой основной DM-фильтр. Cc1 и Lc1 (каждый из них состоит из 2 частей) формируют СМ-фильтр для шумов в линии заземления, причем две обмотки Lc1 намотаны на одном сердечнике. Cd2 работает с паразитной индуктивностью между этими обмотками и формирует вторичный высокочастотный DM-фильтр. Ln и Cn формируют заграждающий фильтр, работающий на частоте переключения, обеспечивая совместно с Rn и демпфирование, и некоторое расширение полосы заграждения. Наконец, Cd3 и Cc2 (2 шт.) часто используются для последней очистки правого терминала, куда для оценки шумов подключается пара устройств LISN. Работа этих емкостных элементов зависит от неопределенного импеданса AC-линии и труднопредсказуема, хотя и весьма полезна. В состав схемы могут быть включены дополнительные компоненты, такие, как демпфирующие цепи, защита от переходных процессов, плавкие предохранители и другие устройства, необходимые для конкретного приложения. Измерение электромагнитных шумов Когда описывается возможность генерирования шума в системе, передаче его из системы или сразу обе эти проблемы, то рассматривается энергия, излучаемая из системы посредством магнитных или электрических полей (рассмотрено выше), или энергия, текущая в проводниках на входе, на выходе или в линии управления, подключающих систему к «внешнему миру», где эти линии могут стать вторичными антеннами. Эти шумы в проводниках или излученные шумы считаются отдельными и различными, и при оценке характеристик системы обычно определяются индивидуально. Однако следует отметить, что эффективность передачи шума прямо зависит от его частоты — чем выше частота, тем потенциально существует больше возможностей для излучения электромагнитных шумов, в то время как на более низких частотах проблемы, скорее всего, будут вызваны шумом в проводниках. Принято считать, что частота 30 МГц является границей между шумом в проводниках и излученным электромагнитным шумом. Большинство агентств стандартизации во всем мире установили эталоны, определяющие оценку электромагнитных шумов — в проводниках на частотах до 30 МГц, и отдельный набор стандартов для излученных электромагнитных шумов на частотах более 30 МГц. Далее будут отдельно рассмотрены оба типа источников шума, но перед этим рассмотрим еще немного полезной информации. Шум в проводниках прежде всего определяется током, но измеряется как напряжение с помощью 50-омных токовых шунтов. Кроме того, при рассмотрении только источников питания позицию FCC можно сформулировать так: единственное, на что следует обращать внимание, — это на входные линии подачи АС, так как именно здесь шумовые токи наиболее вероятно могут быть переданы другим системам через сеть электропитания. В то время как максимальная частота, представляющая интерес для шума в проводниках составляет 30 МГц, минимальная частота может изменяться. В США и Канаде это 450 кГц, но существует много международных стандартов, которые определяют и более низкую частоту 150 кГц, а некоторые телекоммуникационные стандарты требуют проведения испытаний на 10 кГц. Нижняя частота в стандартах для излучаемых шумов начинается более чем с 30 МГц, а верхние пределы могут составлять от нескольких сотен МГц до 1 ГГц или выше. В то время как для оценки шума в проводниках может потребоваться только спектроанализатор и устройство соединения, измерение излучаемых шумов требует проведения измерений магнитных или электрических полей в свободном пространстве, что делает эти испытания намного более сложными. По этой причине их исследование обычно выполняется отдельными специализированными испытательными средствами, где свойственные среде измерения могут быть проведены и измерены на необходимом уровне. Каждая страна имеет собственный наборстандартов для определения электромагнитных шумов, но в пределах этих стандартов есть дополнительные различия, определенные типом изделия и его использованием. Например, некоторые стандарты определяют источники питания как «цифровые устройства», в то время как другие объединяют их со спецификациями «информационной технологии». Также задаются «классы», где Класс А определяет характеристики промышленных и коммерческих приложений, а Класс B включает характеристики источников, использующихся в жилых помещениях. Предельные параметры источников Класса B обычно являются более строгими согласно предположениям, что системы, сделанные для дома, вероятно, будут находиться на более близком расстоянии от человека и что пользователи обычно имеют меньше опыта работы и оценки EMI. В США Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission — FCC) устанавливает контроль и ответственность за электромагнитные помехи посредством Кода Федерального Регистра (Code of the Federal Register — CFR), Title 47. В этом документе часть 15 определяет характеристики оборудования информационных технологий, часть 18 — индустриального, научного и медицинского оборудования и часть 68 — оборудования, связанного с телефонией. Проведение спецификации электромагнитных шумов было главной заботой Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission — IEC), которая издала универсальный стандарт европейского союза (EN50081) и франкоязычный стандарт (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques — CISPR). Этот комитет выпустил спецификацию CISPR Publication 22, которая получает международное признание и, таким образом, оказывает давление на FCC. Следует отметить существенные различия в спецификациях FCC и CISPR, которые включают, в дополнение к некоторым различиям в предельных значениях, более низкий частотный диапазон проведения шумовых измерений для CISPR и различия в проведении испытаний излучений, так для CISPR они выполняются на расстоянии 10 метров против 3–30 метров для FCC. Экстраполируя измерения излучений, сделанных по стандарту FCC на 10 метрах (обратно пропорциональны расстоянию), сравним измерения по частотным графикам, показанным на рис. 1 и 2. Рис. 1. Предельные шумы в проводниках (FCC — 15 и CISPR — 22) Рис. 2. Предельные излучаемые шумы (FCC — 15 и CISPR — 22) Обратите внимание, что модули в этихстандартах даются как дБмкВ для прямых измерений шума в проводниках и дБмкВ/м для измерений силы излученного шума с антенной. Они предоставлены в децибелах и оценивают отношения между фактическим измеренным напряжением и одним микровольтом: (эта формула относится одновременно и к дБмкВ и к дБмкВ/м). Наконец, не упомянут весьма важный аспект — эксплуатационные режимы оборудования при испытании. Причина заключается в том, что упоминание этого аспекта поднимает так много других вопросов, что теряется суть основного вопроса. Например, проверка при самом высоком входном напряжении, где dV/dt, весьма вероятно, будет максимальным, или при самом низком напряжении и при максимальной нагрузке, где dI/dt, весьма вероятно, будет наиболее высок. В результате, в большинстве случаев эксплуатационные режимы устанавливают такими, которые изготовитель определяет как «типичные», но поставщики должны определить их как потенциальную проблему соответствия данных. Модель с некоррелированными генераторами случайного шума Шум на выходе усилителя измеряется в виде напряжения 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) √Гц вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы. Шум, появляющийся на выходе усилителя, обычно измеряется в виде напряжения. Однако он генерируется как источниками напряжения, так и источниками тока. Все внутренние шумы обычно приводятся к входу, то есть для них используется модель с некоррелированными, или независимыми, генераторами случайного шума, подключенными последовательно или параллельно к входам идеального нешумящего усилителя (рис. 1). Рис. 1. Шумовая модель операционного усилителя Эти источники шума считаются случайными и/или имеющими гауссово распределение, и это важно учитывать при их суммировании. Если один и тот же шум появляется в двух или более точках схемы (имеется в виду схема подавления входного тока смещения), то эти два источника шума являются коррелированными и коэффициент корреляции необходимо учитывать при анализе шума. Поскольку обычно шумы коррелированных источников составляют менее 10 или 15%, то ими чаще всего можно пренебречь, поэтому дальнейший анализ коррелированного шума в данной статье ограничен. Внутренний шум усилителя можно разделить на четыре категории: 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 пА√Гц (для шумового тока) или нВ√Гц (для шумового напряжения). Деление на возникает вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы (выражения и ). Четыре типа внутреннего шума В этом разделе описываются приведенное к входу шумовое напряжение, приведенный к входу шумовой ток, фликкер-шум и попкорн-шум. Приведенное к входу шумовое напряжение Как правило, приведенное к входу шумовое напряжение (en) 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: Приведенный к входу токовый шум 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-п-переход. Дробовой шум (in) можно получить с помощью формулы: 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 р-п-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: Фликкер-шум 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: 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-уси-лителей) 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 (рис. 2). Рис. 2. Экстраполированная характеристика спектральной плотности шума 1/f Попкорн-шум Попкорн-шум (обычно в спецификациях не указывается) — 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. Дальнейший анализ попкорн-шума выходит за рамки настоящей статьи. 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 Электромагнитные шумы Электромагнитные шумы — это не черная магия, как иногда считают. Основные принципы вызывающие и исключающие электромагнитные шумы относительно просты. Существенно то, что задача требует распознавания полей, вызванных быстро изменяющимися током и напряжением. В то время как эти характеристики количественно описаны уравнениями Максвелла, необходимо знать, что шум может быть вызван взаимным влиянием элементов схемы посредством магнитных или электрических полей. Магнитное поле заставляет изменяющийся ток в одном проводнике вызывать напряжение в другом согласно формуле: где М — взаимная индуктивность между источником и приемником. Точно так же изменяющееся напряжение заставляет электрическое поле на поверхности возбуждать протекание тока в другом проводнике: где C — емкость, между источником и приемником. Также следует иметь в виду еще один важный пункт: электромагнитные шумы — очень низкоэнергетическое явление! Поскольку может требоваться чрезвычайно малое количество энергии, вызванной в «нужном» месте в приемнике, чтобы нарушить работу всей системы, то предельные значения шумовых характеристик были установлены на очень маленьких величинах. Например, на частоте 1 МГц требуется только 20 нВт EMI, чтобы превысить требования Федеральной комиссии по связи.
- Шумовое усиление
- Внешний шум в схеме усилителя
- Приведенное к входу шумовое напряжение
- Уменьшение СМ-шумов
- Измерение электромагнитных шумов
- Модель с некоррелированными генераторами случайного шума
- Спектральная плотность шума
- ). Четыре типа внутреннего шума В этом разделе описываются приведенное к входу шумовое напряжение, приведенный к входу шумовой ток, фликкер-шум и попкорн-шум. Приведенное к входу шумовое напряжение Как правило, приведенное к входу шумовое напряжение (en) 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: Приведенный к входу токовый шум 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-п-переход. Дробовой шум (in) можно получить с помощью формулы: 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 р-п-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: Фликкер-шум 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: 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-уси-лителей) 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 (рис. 2). Рис. 2. Экстраполированная характеристика спектральной плотности шума 1/f Попкорн-шум Попкорн-шум (обычно в спецификациях не указывается) — 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. Дальнейший анализ попкорн-шума выходит за рамки настоящей статьи. 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 Электромагнитные шумы Электромагнитные шумы — это не черная магия, как иногда считают. Основные принципы вызывающие и исключающие электромагнитные шумы относительно просты. Существенно то, что задача требует распознавания полей, вызванных быстро изменяющимися током и напряжением. В то время как эти характеристики количественно описаны уравнениями Максвелла, необходимо знать, что шум может быть вызван взаимным влиянием элементов схемы посредством магнитных или электрических полей. Магнитное поле заставляет изменяющийся ток в одном проводнике вызывать напряжение в другом согласно формуле: где М — взаимная индуктивность между источником и приемником. Точно так же изменяющееся напряжение заставляет электрическое поле на поверхности возбуждать протекание тока в другом проводнике: где C — емкость, между источником и приемником. Также следует иметь в виду еще один важный пункт: электромагнитные шумы — очень низкоэнергетическое явление! Поскольку может требоваться чрезвычайно малое количество энергии, вызванной в «нужном» месте в приемнике, чтобы нарушить работу всей системы, то предельные значения шумовых характеристик были установлены на очень маленьких величинах. Например, на частоте 1 МГц требуется только 20 нВт EMI, чтобы превысить требования Федеральной комиссии по связи.
- Четыре типа внутреннего шума
- Приведенный к входу токовый шум
- Фликкер-шум
- Попкорн-шум
- Электромагнитные шумы
Суммирование источников шума
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:
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:
На рис. 3 графически представлено уравнение
как сумма векторов с использованием теоремы Пифагора.
Рис. 3. Векторное суммирование источников шума
Шумовое усиление
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 на рис. 1 могут быть объединены в один общий приведенный к входу источник шума (Vni, TOTAL ) , как показано на рис. 4.

Рис. 4. Упрощение схемы шумов усилителя
Обычно при расчете принято предполагать, что общий приведенный к входу шум прикладывается к неинвертирующему входу усилителя:
где Vno, TOTAL — общий приведенный к выходу шум; Vni, TOTAL — общий приведенный к входу шум.
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 (рис. 5). Заметим, что полоса пропускания схемы с замкнутой обратной связью определяется делением произведения усиления на полосу (или частоты единичного усиления) на шумовое усиление схемы усилителя.
Рис. 5. Сравнение усиления сигнала и шумового усиления
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
Внешний шум включает любые типы внешних воздействий, таких как влияние внешних компонентов и помех, вызванных электрическими и электромагнитными полями. Помеха может представлять собой сигнал в виде коротких импульсов, ступенчатых скачков, синусоидальных колебаний или случайного шума. Источником помех может быть что угодно: работающие механизмы, линии электропитания, которые расположены поблизости, радиоприемники или радиопередатчики, компьютеры и даже схемы, входящие в состав того же оборудования, что и элемент, на который воздействует помеха (цифровые схемы или импульсные источники питания). Даже если можно было бы исключить все помехи путем грамотного проектирования и/или разводки печатной платы, то все равно останется случайный шум самого усилителя и компонентов его схемы.
Необходимо учитывать также шум от окружающих компонентов схемы. При температурах выше абсолютного нуля любое сопротивление представляет собой источник шума, который обусловлен тепловым движением носителей заряда и называется шумом Джонсона, или тепловым шумом. Этот шум возрастает при увеличении сопротивления, температуры и полосы частот. Шумовые напряжение и ток описываются выражениями:
где Vn — шумовое напряжение (В); k — постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж/К); T — температура в градусах Кельвина (K); B — ширина полосы в герцах (Гц); R — сопротивление в омах (Ом); In — шумовой ток в амперах (А).
Типовой шум, генерируемый резистором номиналом 1 кОм при комнатной температуре, составляет примерно 4 нВ√Гц. При проведении более глубокого анализа необходимо также учитывать и другие источники шума резистора, такие как шум контактов, дробовой шум и паразитные эффекты, присущие конкретному типу резистора. В статье мы ограничим возможные источники шума резистора только шумом Джонсона и будем считать, что шум резистора пропорционален квадратному корню его номинала.
Реактивные сопротивления не генерируют шум, однако протекающие через них шумовые токи приводят к появлению шумового напряжения, а также других паразитных эффектов.
Выходной шум схемы можно понизить, уменьшив суммарное сопротивление компонентов или ограничив ширину полосы схемы. Снижение температуры особого эффекта обычно не дает, если только вам не удастся очень сильно охладить резистор, поскольку мощность шума пропорциональна абсолютной температуре:
Все резисторы, входящие в состав схемы, генерируют шум, и его влияние всегда нужно учитывать. На практике ощутимый вклад в полный шум схемы, скорее всего, будут вносить только резисторы во входной цепи и в цепи обратной связи (обычно при больших коэффициентах усиления). При проведении анализа можно считать, что шум поступает от источника тока или от источника напряжения (в зависимости от того, какой из вариантов более удобен для конкретной схемы).
Приведенное к входу шумовое напряжение
Представляют
в виде генератора шумового напряжения
Соседние файлы в папке КР1
Уменьшение СМ-шумов
Выше было проведено обсуждение возможностей оптимизации фильтра для уменьшения DM-шумов. Те же самые соображения можно применить и к фильтру, предназначенному для подавления СМ-шумов. Как было сказано ранее, СМ-шумы в значительной мере появляются из-за паразитной емкости, подключенной к земле. Упрощенная схема одного из часто применяемых источников показана на рис. 11. На этой схеме показан асимметричный мощный выходной каскад с ключевым полевым транзистором, который переключает обмотку трансформатора. Таким образом, при частоте переключения 200 кГц максимальное напряжение на стоке полевого транзистора составит 2 Vin = 400 В с временем нарастания и спада 100 нс, что и показано на рисунке. Если, например, полевой транзистор упакован в корпус ТО-220 и установлен на заземленном радиаторе с изолирующей шайбой, то паразитная емкость стока относительно земли может лежать в диапазоне 12–32 пФ. Беря емкости с более низким значением и решая уравнение I = C (dV/dt), приходим к пиковому току ±48 мA — довольно значительная величина наведенного на землю шума. На рис. 12 показано, как этот наведенный ток завершает свой путь назад к линиям подачи мощности и, протекая через два 50-омных резистора LISN, таким образом создает напряжение шумов на каждом выходе LISN.

Рис. 11. Типичный источник СМ-шумов — емкостная связь стока, коммутирующего напряжение, полевого транзистора и заземленного радиатора

Рис. 12. Ток, протекающий в земле и путь его возвращения через выходные сопротивления LISN
Решение этой проблемы — вставка последовательно СМ-току фильтра и определение его характеристик, что легче всего достигается при использовании эквивалентной схемы для напряжения шумов, которая также показана на рис. 12. Эта эквивалентная схема разработана с учетом того, что на стоке полевого транзистора присутствуют импульсы величиной 400 Впик-пик. Считая, что мы работа ем в режиме с 50-процентным циклом переключения, среднеквадратическое значение этого сигнала равно 200 В на частоте пере ключения 200 кГц. Так как эта частота ниже того минимума, который определил FCC (450 кГц), то можно игнорировать основную частоту переключения и рассматривать только ее третью гармонику — 60 Вскз на частоте 600 кГц, считая ее вклад в спектр шумов наиболее значительным. Этот сигнал приводит к появлению напряжения шумов на резисторах LISN, которое приблизительно равно 68 мВ и, как кажется, имеет довольно маленькое значение, но ее значение должно быть сравнено с предельной величиной уровня шума — 1,0 мВ для изделий Класса АFCC на частоте 600 кГц. ( Предел для Класса B устанавливается еще ниже — 250 мкВ.)
Чтобы уменьшить значение 68 мВ ниже порога 1,0 мВ, необходимо вставить фильтр, который и произведет ослабление 37 дБ на частоте 600 кГц. Один из способов достичь этого — добавить последовательно обычную катушку индуктивности. Теперь можно рассчитать требуемую индуктивность для получения значения реактивного сопротивления, в котором мы нуждаемся на частоте 600 кГц, как это показано на рис. 13. Однако анализ этого решения показал, что в то время как требуемая индуктивность будет равна 419 мГн, паразитная емкость этой индуктивности должна быть не более 0,17 пФ. Вряд ли это возможно!
Рис. 13. Достижение ослабления 37 дБ с добавочной катушкой требует катушки с нереалистично низкой паразитной емкостью
Теперь попробуем шунтировать 25-омную нагрузку конденсатором, как это показано на рис. 14, чтобы понизить ее импеданс и добиться предельного падения напряжения 1,0 мВ. Произведя те же самые вычисления, приходим к необходимости подключения емкости 760 нФ, которая к тому же должна иметь паразитную последовательную индуктивность не более 93 нГн — только при этом все еще будут выполняться требования ослабления. В то время как это решение выглядит достаточно жизнеспособным, мы сталкиваемся с другой проблемой, заключающейся в том, что, если вход этого источника электропитания подключен к линии AC, то обычно спецификации безопасности устанавливают номинал входных конденсаторов не более 10 нФ.
Рис. 14. Достижение ослабления 37 дБ с шунтирующим конденсатором требует неприемлемо большого его значения
Рис. 15. Использование шунтирующего конденсатора и индуктивности обеспечивает решение с практическими значениями для обоих элементов
Таким образом, наконец, попробуем найти наилучшее решение для входного СМ-фильтра, включив и индуктивность, и шунтирующую емкость, но с разумными величинами для каждого компонента, причем учтем значения их паразитных параметров. Это решение показано на рис. 15 и обычно выполняется с двухобмоточной индуктивностью на одном сердечнике в такой конфигурации, что постоянный ток, вызванный работой системы DC электропитания, не будет способствовать насыщаемости сердечника. Конечно, в этой схеме все шунтирующие конденсаторы соединены вместе для обеспечения заземления.
Входной СМ-фильтр, вероятно, также придется зашунтировать для предотвращения проблем с резонансом, но так как максимальный номинал выпускаемых емкостей ограничен, то обычно требуемую емкость делят на два конденсатора, а затем помещают резистор соответствующего номинала по следовательно с одним из них. На рис. 16 показана окончательная схема входного фильтра, объединяющая фильтры СМ и DM.
На этом рисунке входная нагрузка проявляет себя как протекание тока слева направо, от АС-линии до входного выпрямителя системы электропитания. Шумовой сигнал, наоборот, течет справа налево, от импульсного источника назад к входам AC-линии.

Рис. 16. На этой схеме показаны компоненты фильтра, необходимые для уменьшения шумов
Работая справа налево, Cd1 и Ld1 представляют собой основной DM-фильтр. Cc1 и Lc1 (каждый из них состоит из 2 частей) формируют СМ-фильтр для шумов в линии заземления, причем две обмотки Lc1 намотаны на одном сердечнике. Cd2 работает с паразитной индуктивностью между этими обмотками и формирует вторичный высокочастотный DM-фильтр. Ln и Cn формируют заграждающий фильтр, работающий на частоте переключения, обеспечивая совместно с Rn и демпфирование, и некоторое расширение полосы заграждения. Наконец, Cd3 и Cc2 (2 шт.) часто используются для последней очистки правого терминала, куда для оценки шумов подключается пара устройств LISN. Работа этих емкостных элементов зависит от неопределенного импеданса AC-линии и труднопредсказуема, хотя и весьма полезна. В состав схемы могут быть включены дополнительные компоненты, такие, как демпфирующие цепи, защита от переходных процессов, плавкие предохранители и другие устройства, необходимые для конкретного приложения.
Измерение электромагнитных шумов
Когда описывается возможность генерирования шума в системе, передаче его из системы или сразу обе эти проблемы, то рассматривается энергия, излучаемая из системы посредством магнитных или электрических полей (рассмотрено выше), или энергия, текущая в проводниках на входе, на выходе или в линии управления, подключающих систему к «внешнему миру», где эти линии могут стать вторичными антеннами. Эти шумы в проводниках или излученные шумы считаются отдельными и различными, и при оценке характеристик системы обычно определяются индивидуально.
Однако следует отметить, что эффективность передачи шума прямо зависит от его частоты — чем выше частота, тем потенциально существует больше возможностей для излучения электромагнитных шумов, в то время как на более низких частотах проблемы, скорее всего, будут вызваны шумом в проводниках. Принято считать, что частота 30 МГц является границей между шумом в проводниках и излученным электромагнитным шумом.
Большинство агентств стандартизации во всем мире установили эталоны, определяющие оценку электромагнитных шумов — в проводниках на частотах до 30 МГц, и отдельный набор стандартов для излученных электромагнитных шумов на частотах более 30 МГц. Далее будут отдельно рассмотрены оба типа источников шума, но перед этим рассмотрим еще немного полезной информации.
Шум в проводниках прежде всего определяется током, но измеряется как напряжение с помощью 50-омных токовых шунтов. Кроме того, при рассмотрении только источников питания позицию FCC можно сформулировать так: единственное, на что следует обращать внимание, — это на входные линии подачи АС, так как именно здесь шумовые токи наиболее вероятно могут быть переданы другим системам через сеть электропитания.
В то время как максимальная частота, представляющая интерес для шума в проводниках составляет 30 МГц, минимальная частота может изменяться. В США и Канаде это 450 кГц, но существует много международных стандартов, которые определяют и более низкую частоту 150 кГц, а некоторые телекоммуникационные стандарты требуют проведения испытаний на 10 кГц.
Нижняя частота в стандартах для излучаемых шумов начинается более чем с 30 МГц, а верхние пределы могут составлять от нескольких сотен МГц до 1 ГГц или выше. В то время как для оценки шума в проводниках может потребоваться только спектроанализатор и устройство соединения, измерение излучаемых шумов требует проведения измерений магнитных или электрических полей в свободном пространстве, что делает эти испытания намного более сложными. По этой причине их исследование обычно выполняется отдельными специализированными испытательными средствами, где свойственные среде измерения могут быть проведены и измерены на необходимом уровне.
Каждая страна имеет собственный наборстандартов для определения электромагнитных шумов, но в пределах этих стандартов есть дополнительные различия, определенные типом изделия и его использованием. Например, некоторые стандарты определяют источники питания как «цифровые устройства», в то время как другие объединяют их со спецификациями «информационной технологии». Также задаются «классы», где Класс А определяет характеристики промышленных и коммерческих приложений, а Класс B включает характеристики источников, использующихся в жилых помещениях. Предельные параметры источников Класса B обычно являются более строгими согласно предположениям, что системы, сделанные для дома, вероятно, будут находиться на более близком расстоянии от человека и что пользователи обычно имеют меньше опыта работы и оценки EMI.
В США Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission — FCC) устанавливает контроль и ответственность за электромагнитные помехи посредством Кода Федерального Регистра (Code of the Federal Register — CFR), Title 47. В этом документе часть 15 определяет характеристики оборудования информационных технологий, часть 18 — индустриального, научного и медицинского оборудования и часть 68 — оборудования, связанного с телефонией.
Проведение спецификации электромагнитных шумов было главной заботой Международной электротехнической комиссии (International Electrotechnical Commission — IEC), которая издала универсальный стандарт европейского союза (EN50081) и франкоязычный стандарт (Comite International Special des Perturbations Radioelectriques — CISPR). Этот комитет выпустил спецификацию CISPR Publication 22, которая получает международное признание и, таким образом, оказывает давление на FCC.
Следует отметить существенные различия в спецификациях FCC и CISPR, которые включают, в дополнение к некоторым различиям в предельных значениях, более низкий частотный диапазон проведения шумовых измерений для CISPR и различия в проведении испытаний излучений, так для CISPR они выполняются на расстоянии 10 метров против 3–30 метров для FCC. Экстраполируя измерения излучений, сделанных по стандарту FCC на 10 метрах (обратно пропорциональны расстоянию), сравним измерения по частотным графикам, показанным на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Предельные шумы в проводниках (FCC — 15 и CISPR — 22)
Рис. 2. Предельные излучаемые шумы (FCC — 15 и CISPR — 22)
Обратите внимание, что модули в этихстандартах даются как дБмкВ для прямых измерений шума в проводниках и дБмкВ/м для измерений силы излученного шума с антенной. Они предоставлены в децибелах и оценивают отношения между фактическим измеренным напряжением и одним микровольтом:
(эта формула относится одновременно и к дБмкВ и к дБмкВ/м).
Наконец, не упомянут весьма важный аспект — эксплуатационные режимы оборудования при испытании. Причина заключается в том, что упоминание этого аспекта поднимает так много других вопросов, что теряется суть основного вопроса. Например, проверка при самом высоком входном напряжении, где dV/dt, весьма вероятно, будет максимальным, или при самом низком напряжении и при максимальной нагрузке, где dI/dt, весьма вероятно, будет наиболее высок. В результате, в большинстве случаев эксплуатационные режимы устанавливают такими, которые изготовитель определяет как «типичные», но поставщики должны определить их как потенциальную проблему соответствия данных.
Модель с некоррелированными генераторами случайного шума
Шум
на выходе усилителя измеряется в виде
напряжения
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)
√Гц
вследствие того, что мощность шума
пропорциональна ширине полосы, а шумовое
напряжение и плотность шумового тока
пропорциональны корню из ширины полосы.
Шум, появляющийся на выходе усилителя, обычно измеряется в виде напряжения. Однако он генерируется как источниками напряжения, так и источниками тока. Все внутренние шумы обычно приводятся к входу, то есть для них используется модель с некоррелированными, или независимыми, генераторами случайного шума, подключенными последовательно или параллельно к входам идеального нешумящего усилителя (рис. 1).
Рис. 1. Шумовая модель операционного усилителя
Эти источники шума считаются случайными и/или имеющими гауссово распределение, и это важно учитывать при их суммировании.
Если один и тот же шум появляется в двух или более точках схемы (имеется в виду схема подавления входного тока смещения), то эти два источника шума являются коррелированными и коэффициент корреляции необходимо учитывать при анализе шума. Поскольку обычно шумы коррелированных источников составляют менее 10 или 15%, то ими чаще всего можно пренебречь, поэтому дальнейший анализ коррелированного шума в данной статье ограничен.
Внутренний шум усилителя можно разделить на четыре категории:
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 пА√Гц (для шумового тока) или нВ√Гц (для шумового напряжения). Деление на возникает вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы (выражения
и
). Четыре типа внутреннего шума
В этом разделе описываются приведенное к входу шумовое напряжение, приведенный к входу шумовой ток, фликкер-шум и попкорн-шум.
Приведенное к входу шумовое напряжение Как правило, приведенное к входу шумовое напряжение (en) 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:
Приведенный к входу токовый шум
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-п-переход. Дробовой шум (in) можно получить с помощью формулы:
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 р-п-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:
Фликкер-шум
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:
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-уси-лителей) 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 (рис. 2).

Рис. 2. Экстраполированная характеристика спектральной плотности шума 1/f
Попкорн-шум
Попкорн-шум (обычно в спецификациях не указывается) — 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. Дальнейший анализ попкорн-шума выходит за рамки настоящей статьи.
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
Электромагнитные шумы
Электромагнитные шумы — это не черная магия, как иногда считают. Основные принципы вызывающие и исключающие электромагнитные шумы относительно просты. Существенно то, что задача требует распознавания полей, вызванных быстро изменяющимися током и напряжением. В то время как эти характеристики количественно описаны уравнениями Максвелла, необходимо знать, что шум может быть вызван взаимным влиянием элементов схемы посредством магнитных или электрических полей.
Магнитное поле заставляет изменяющийся ток в одном проводнике вызывать напряжение в другом согласно формуле:
где М — взаимная индуктивность между источником и приемником.
Точно так же изменяющееся напряжение заставляет электрическое поле на поверхности возбуждать протекание тока в другом проводнике:
где C — емкость, между источником и приемником.
Также следует иметь в виду еще один важный пункт: электромагнитные шумы — очень низкоэнергетическое явление! Поскольку может требоваться чрезвычайно малое количество энергии, вызванной в «нужном» месте в приемнике, чтобы нарушить работу всей системы, то предельные значения шумовых характеристик были установлены на очень маленьких величинах. Например, на частоте 1 МГц требуется только 20 нВт EMI, чтобы превысить требования Федеральной комиссии по связи.




