Mažatriukšmių stiprintuvų projektavimo ypatybės

I. Tranzistorių triukšmų skaičiavimo metodika

1.1. Dvipolio tranzistoriaus triukšmai

Dvipolių tranzistorių savuosius triukšmus lemia: bazės varžos šiluminis triukšmas ir kolektoriaus ir bazės srovės šratiniai triukšmai. Bet kokios varžos R šiluminio triukšmo elektrovaros jėga e^tr skaičiuojama pagal Naikvisto formulę [1]:

kur
k – Bolcmano konstanta, k=1,38ּ10^-23 J/K;
T – absoliučioji temperatūra, K;
f_v, f_a – atitinkamai viršutinis ir apatinis darbinio diapazono dažniai, Hz.

Šratinio triukšmo srovė nusakoma Šotkio formule [1]:

kur
q – elektrono krūvis, q=1,6ּ10^-19 C;
I_k – srovės tekančios per p-n sandūrą stipris, A.

Atsižvelgus į tai, kad ekvivalentinė tranzistoriaus triukšmų elektrovaros jėga apibrėžiama taip [2]:

Naikvisto formulėje (f_v - f_a) skirtumas, esant f_v >> f_a pakeičiamas į f_v. Dvipolio tranzistoriaus ekvivalentinė triukšmo srovė [2]:

kur charakterizuoja taip vadinama triukšmą, kuriuo spektrinis triukšmo galios tankis atvirkščiai proporcingas dažniui.

– dažnis, kuriam spektrinis triukšmo galios tankis padidėja 3dB, atsižvelgiant į spektrinį tankį esantį tokiam dažniui, kuriame triukšmai neturi didelės įtakos [1].

Palyginus e_trBT ir i_trBT ir atsižvelgiant į tai, kad pastebime, kad padidinus kolektoriaus srovę I_C, triukšmo evj mažėja, o triukšmo srovė tiesiogiai proporcinga . Tai reiškia, kad dvipoliam tranzistoriui, esant tam tikrai generatoriaus vidinei varžai, egzistuoja optimali kolektoriaus srovė I_{C opt}, kuriai esant bazės triukšmų įtampa yra minimali:

1.2. Lauko tranzistoriaus triukšmai

Lauko tranzistoriaus su valdančiąja p-n sandūra savasis triukšmas yra kanalo šiluminis triukšmas, kuris nusakomas triukšmo elektrovaros jėga, įjungtos nuosekliai į užtūros grandinę [1]:

kur
S – tranzistoriaus statumas darbo taške, mA/V.

Dėl mažų užtūros nuotėkio srovių, šratiniai triukšmai nepadidina bendro triukšmo lygio, todėl nepriklauso nuo generatoriaus vidinės varžos, ir yra atvirkščiai proporcingas [2].

Įėjimo grandinėje panaudojant n lygiagrečiai sujungtu, vienodu, dvipolių tranzistorių e_trBT sumažėja kartu, o i_trBT tiek pat kartų padidėja [2].

Lygiagretus n dvipolių tranzistorių jungimas ekvivalentus kartu bazės varžos - r_B sumažėjimui. Tai galioja tik esant mažai generatoriaus vidaus varžai, kuri turi būti mažesnė už vieno tranzistoriaus bazės varžą - r_B [1].

1.3. Išvados

Bendro emiterio konfigūracijos be neigiamojo grįžtamojo ryšio (NGR) panaudojimas netinka, nes atsiranda dideli netiesiniai iškraipymai [14].
Lygiagretus dvipolių tranzistorių sujungimas tinkamas tik esant R_g < r_B, kur R_g – signalo šaltinio vidinė varža, r_B – tranzistoriaus bazės varža.
Lauko tranzistoriaus bendros ištakos konfigūracijoje, net be neigiamojo grįžtamojo ryšio, netiesinių iškraipymų lygis yra mažas [14].
Pagal stiprintuvo triukšmu parametrus, įėjimo grandinėje geriau naudoti lauko tranzistoriaus su valdančiąja p-n sandūra negu dvipolius tranzistorius, nes įėjimo grandinėje kuri sudaryta iš dvipolio tranzistoriaus turi maža triukšmo faktorių tik esant tam tikrai signalo šaltinio varžai, o lauko – plataus varžų diapazonui.

2. Kartotuvas

Kartotuvas reikalingas tam, kad prireikus prijungti kitą išorini stiprintuvą, būtų suderintos signalo šaltinio varža ir stiprintuvo įėjimo varža.

2.1. Įėjimo, išėjimo ir stiprinimo pakopos

Tai pagrindinė šio įrenginio dalys. Įėjimo pakopa tai tranzistorinis kartotuvas kurį prireikus atjungiamas trumpikliu. Išėjimo pakopa sudaryta iš operacinio stiprintuvo, o stiprinimo pakopoje panaudojamos I skyriuje aprašytos ypatybės.

2.2. Valdomas įtampos šaltinis

Šios grandinės paskirtis diskretiškai valdyti srovės tekančios per bandinį stiprį. Tam tikslui panaudojamas „Texas Instruments“ firmos gaminamas 12-Bit skaitmeninis analoginis keitiklis DAC7616U, tranzistorius bendro emiterio schemoje ir operacinis stiprintuvas LMH6655. Juo pagalba galėsime keisti siunčiama iš mikrovaldiklio arba kompiuterio kodą į įtampą. Šį įtampa yra proporcinga skaičiui siunčiamam iš valdymo įrenginio. Todėl šią įtampa patogu valdyti įtampos stabilizatorių, kuris savo ruožtu yra bandinio maitinimo šaltinis [3].

Atrodytų kad tokį valdymo mechanizmą nepavyktų pritaikyti stiprintuve skirtame matuoti mažus triukšmus, tačiau tai įmanoma, nes pašaliniai triukšmai atsiranda tik siunčiant kodą, o kai skaitmeninė dalis neveikia (t.y. kodas nesiunčiamas), tai praktiškai parazitinių triukšmų nesusidaro, bet vis dėl to yra galimybė visai atjungti valdomą įtampos šaltinį, tam tikslui schemoje įdėti trumpikliai. Vietoje trumpiklio galima prijungti paprastą rezistorių ir tokiu būdu valdyti diodu tekančią srovę.

2.3. Įrenginio maitinimas

Maitinimas reikalingas visų pakopų maitinimui. Jis sudarytas iš ±9 V įtampos prijungiamo išorinio šaltinio, LC filtrų, ir +5 V stabilizatoriaus.

II. Stiprintuvo principinė schema

3. Stiprintuvo komponentų pasirinkimas ir skaičiavimas

3.1. Komponentų pasirinkimas

Iš pirmo skyriaus išvadų ir prieinamų komponentų sąrašo buvo išrinkti šie pagrindiniai komponentai:

Japonų firmos „Toshiba“ lauko tranzistoriai su valdančiąja p-n sandūra ir n kanalu 2SK117;
„Analog Devices“ firmos mažatriukšmis operacinis stiprintuvas AD797;
Ir „National Semiconductor“ mažatriukšmis operacinis stiprintuvas LMH6655.

Šių elementų pagrindiniai elektriniai parametrai ir charakteristikos

2SK117 [4]:
Maksimali įtampa tarp santakos ir ištakos U_GDmax = 50 V;
Maksimali užtūros srovė I_G = 10 mA;
Maksimali santakos srovė I_D = 14 mA;
Maksimali santakos galios sklaida P_D = 300 mW;

2 pav. NF priklausomybė nuo santakos srovės.

3 pav. Statinės charakteristikos.

4 pav. Išėjimo charakteristikos.

5 pav. Statumo priklausomybė nuo santakos srovės.

AD797 [5]:

Maitinimo įtampos ribos U_mait=(±5...±18)V

6 pav. Spektrinio triukšmo įtampos tankio priklausomybė nuo dažnio.

7 pav. THD (iškraipymų koeficiento) priklausomybė nuo dažnio.

Detalesne informacija apie parametrus, tipines jungimo schemas reikalinga principinės schemos sudarymui ir pakopų skaičiavimui paimta iš [6,7,8].

3.2. Mažatriukšmio kartotuvo elementų skaičiavimas

8 pav. Tranzistorinio kartotuvo schema.

Pradinės sąlygos: turime bendros santakos schemą,

3.3. Mažatriukšmio stiprintuvo elementų skaičiavimas

9 pav. Stiprinimo pakopos schema.

Pradinės sąlygos: turime bendros ištakos schemą,

3.4. Išėjimo pakopos elementų skaičiavimas

10 pav. Išėjimo pakopa.

Paskaičiuokime koks turi būti išėjimo pakopos stiprinimas, kad gautume visa stiprintuvo stiprinimą 40 dB.

Kadangi stiprinimo pakopa signalą sustiprina 6 kartus ir 20ּlg 6 ≈ 15,6 dB, tai išėjimo pakopa turi stiprinti

Paskaičiuokime taip įjungto operacinio stiprintuvo, stiprinimo koeficientą:

11 pav. Operacinio stiprintuvo jungimas.

Kiti skaičiavimai rėmėsi Omo dėsnio taikymu ir yra trivialus, todėl čia nepateikiami.

Rezultatų apibendrinimas ir išvados

Išvados

Mažatriukšmio stiprintuvo pirminėje stiprinimo pakopoje panaudotas lauko tranzistorius bendros ištakos schemoje, nes tokios schemos gaunami minimalus triukšmai plačiame signalo šaltinio įėjimo varžų diapazone. Tuo tarpu, su dvipoliu tranzistorimi pirminėje stiprinimo pakopoje minimalius triukšmus galima gauti tik tam tikrai signalo šaltinio įėjimo varžai.
Lygiagretus dviejų lauko tranzistorių jungimas buvo panaudotas antroje stiprinimo pakopoje, nes toks lauko tranzistorių jungimas sumažina triukšmų elektrovaros jėgą kartų.

Rezultatai

Suprojektuota mažatriukšmio stiprintuvo schema sudaryta iš bendros santakos kartotuvo, stiprinimo pakopos su dviem lauko tranzistoriais, operacinio stiprintuvo ir valdomo įtampos šaltinio. Apskaičiuoti mažatriukšmio stiprintuvo komponentų nominalai.
Buvo realiai surinkta ir išbandyta reali konstrukcija. Pamatavus rezultatus, pastebėta, kad skaičiavimai atitiko matavimus.

Literatūra

Букингем М., Шумы в электронных приборах и системах. Перевод с английского. – Москва: „Мир“, 1986.
Ван дер Зил А., Шум источники,описание,измерение. Перевод с английского. – Москва: „Советское радио“, 1973.
www.ti.com.
www.datasheetcatalog.com.
www.analog.com.
Войшвило Г. В., Усилительные устройства. - Москва: „Радио иСвязь“, 1983.
Воробьев Н. И., Проектирование электронных устройств. – Москва: „Высшая школа“, 1989.
www.national.com.
www.altium.com.
Уваров А. С., P-CAD и SPECCTRA разработка печатных плат. – Москва: „СОЛОН-Пресс“, 2003.
www.cadence.com.
„Журнал Радио 3“ – Москва: „Эликс“, 2002.
Ильин В. А., Технология изготовления печатных плат. – Ленинград: „Машиностроение“, 1984.
Титце У., Шенк К., Полупроводниковая схемотехника.