личного рода помех и наводок, не могут быть устранены полностью. Шумы возникают вследствие теплового движения электронов и дискретной природы электричества; они отличаются полным отсутствием регулярности во времени, т. е. являются хаотическими. Однако средняя мощность шумов и средняя плотность распределения мощности по спектру частот (спектральная плотность) обычно являются вполне определенными величинами.

При проектировании усилителей звуковых частот одним из наиболее важных параметров ОУ является приведенное ко входу значение шумового напряжения. В общем случае шумовые свойства ОУ могут быть отображены входными генераторами напряжения вш и тока 1ш (рис. 7.1), действие которых эквивалентно ЭДС шума eui.3=y + где Rr - внутреннее сопротивление источника сигналов.

Среднее квадратическое значение приведенного ко входу усилителя шумового напряжения бш.вх в единичной полосе частот

Ш.ВХ

= V el+ ilRl + 4kTR (7.1)

где последнее слагаемое представляет собой спектральную плотность теплового шума резистора R; fe -постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

В документации на ОУ общего применения обычно отсутствуют сведения об их шумовых свойствах. Ниже представлены результаты экспериментального исследования шумов наиболее часто применяемых типов ОУ. Из выражения (7.1) видно, что для определения спектральной плотности бш ОУ достаточно произвести измерения при Rr = 0.

Спектральную плотность гш уси-Рис. 7.1. Генераторы шума one- лителя МОЖНО определить, измерив рационного усилителя Напряжение вш.вх при большом зна-

чении Rr (как правило, при Rr 100 кОм). Номиналы резистора Rr, при которых измерялся шумовой ток усилителей, были выбраны 100 кОм для ОУ типов 153УД1, 153УД2 и 1 МОм для остальных. Элементы цепей коррекции ОУ 153УД1 и 153УД2 подбирались таким образом, чтобы коэффициент усиления схем оставался постоянным и равным 10, по крайней мере, до частоты 100 кГц. Экспериментально полученные зависимости типовых значений шумовых параметров ОУ от частоты и сопротивления источника сигнала приведены на рис. 7.2. Из рисунка следует, что шумовые напряжения вш всех типов усилителей имеют практически одинаковую зависимость от частоты и отличаются лишь значением. Наименьшее значение вш имеет самый простой усилитель типа 153УД1, а наибольшее - на полевых транзисторах (рис. 7.2,а).

Низкочастотный шум (тип 1 ) преобладает у всех ОУ в области частот до 1 кГц. Исключение составляет лишь усилитель типа

140УД7, шумовое напряжение которого слабо зависит от частоты в исследуемом диапазоне, что указывает на низкий уровень избыточного шума. Это можно объяснить тем, что основная доля низкочастотных шумов определяется флуктуациями носителей заряда, вызываемыми захватом носителей ловушками, которые обусловле-

Рис. 7.2. Шу-мовые характеристики операциоииого усилителя:

а - зависимость приведенного ко входу эквивалентного шумового напряжения от частоты; б - зависимость приведенного ко входу эквивалентного шумового тока от частоты; в - зависимость коэффициента шума от сопротивления источника сигнала на частоте i кГц (/ - 153уд1; 2 - 140уд7; 3 - 163уд2; 4 - 140уд6; 5 - 140уд8 и 544уд1)

НЫ дефектами кристалла в объеме и на поверхности. Применяемая обычно в усилителе этого типа пассивация кристалла нитридом кремния, стабилизирующая поверхность и понижающая активность поверхностных ловушек, значительно уменьшает составляющую низкочастотного шума, обусловленную флуктуационными явлениями на поверхности полупроводника. Это снижает шум такого вида и делает его преобладающим в. области более низких частот (менее 10 Гц).

Экспериментальные зависимости шумовых токов исследованных ОУ представлены на рис. 7.2,6. Сравнивая между собой характеристики, приведенные на рис. 7.2,а и б, можно заметить, что усилитель с минимальным значением вш 153УД1 имеет наибольший уровень шумового тока, и наоборот (например, ОУ 140УД6). Такую зависимость между шумовыми напряжениями и токами усилителей различных типов можно связать с параметрами и структурой их входных каскадов. Действительно, снижение входных токов ОУ, а следовательно, и их шумовых токов достигается, как правило, за счет усложнения входных каскадов (введения добавочных элементов), что приводит к появлению дополнительных источников шума, которые увеличивают приведенное ко входу шумовое напряжение ОУ.

На рис. 7.2,6 отсутствует экспериментальная зависимость шумового тока гш от частоты для усилителя с полевым транзистором на входе. Это объясняется тем, что шумовой ток такого усилителя трудно измерить из-за его малости. Использование в этом случае резисторов .г номиналом более 10 МОм не дает желаемого ре-

зультата по той причине, что тепловой шум этих резисторов приблизительно на порядок превышает составляющую входного шума усилителя, обусловленную шумовым током. Можно лишь отметить, что в диапазоне частот 10 Гц-100 кГц значения im усилителя типа 544УД1 меньше, чем 0,5-10- нА/Т/Тц.

Обычно для сравнения шумовых свойств усилителей различных типов используется коэффициент шума Рш, определяемый как отношение измеренной в полосе частот 1 Гц суммарной мощности шума, приведенного ко входу исследуемого усилителя, к мощности, полученной за счет теплового шума резистора Rr в той же полосе частот, т. е.

FmlOlog =10 log 1 + * Ч (7.2)

На самом деле это выражение определяет логарифмический коэффициент шума Fm=lO\gF (в децибелах), часто называемый в литературе просто коэффициентом шума. Величина Fm каждого усилителя имеет минимум при определенном значении Rr - = /?г.опт, которое легко определить, продифференцировав выражение (7.2) и приравняв производную нулю (см. рис. 7.2,в). Как следует из этого рисунка, для построения схем с минимальным коэффициентом шума при работе от низкоомных источников сигнала {Rr20 кОм) желательно использовать ОУ типа 153УД1. При .г>1 МОм усилитель 544УД1 имеет значительно меньшие значения Рш по сравнению с остальными ОУ. При 20 кОм <ZRt< <1 МОм коэффициент шума минимален у ОУ типа 140УД7.

Однако величину Рш недопустимо минимизировать введением дополнительного резистора для увеличения эквивалентного сопротивления источника сигнала, поскольку при этом увеличится значение приведенного ко входу полного шумового напряжения ОУ из-за наличия входного шумового тока.

Экспериментальные исследования показали, что шумовые характеристики ОУ практически не зависят от напряжения источника питания Uu. Так, при изменении Ua от ±5 до ±20 В значения вш и im всех типов ОУ на любой частоте отличаются от приведенных не более чем на 20%. Это можно объяснить тем, что ток, задаваемый внутренними генераторами тока во входные каскады усилителей, мало изменяется с изменением питающего напряжения, а величина этого тока в значительной мере определяет уровень шумовых напряжений и токов усилителя.

Использование приведенных экспериментальных зависимостей при проектировании высокочувствительных каскадов предварительного усиления позволит реально оценить потенциальные возможности каждого типа ОУ и сделать правильный выбор. Общие положения, которыми целесообразно руководствоваться при создании таких схем, могут быть сформулированы следующим образом:

при сопротивлениях источника сигнала до 100 кОм усилитель на биполярных транзисторах имеет значительно лучшие шумовые 204