4.7.2. Применение пт в малошумящих усилителях

Применение ПТ во входных каскадах усилителей позволяет реализовать их низких уровень собственных шумов и высокое входное сопротивление. Высокое отношение шумовых параметров R_Т к R_Н ПТ обеспечивает малые значения коэффициента шума усилителей при использовании как низкоомных так и высокоомных источников сигнала. Это выгодно отличает усилители с ПТ от усилителей на биполярных транзисторах.

Особенности малошумящих усилителей на ПТ рассмотрим на примерах микрофонного усилителя и установки для исследования шумовых свойств активных элементов.

Малошумящий микрофонный усилитель разработан для усиления сигналов в полосе частот 20 Гц ÷ 20 кГц, развиваемых пьезоэлектрическими и конденсаторными микрофонами низкой чувстви­тельности (10 ÷ 50 мкВ/бар).

Основные требования, предъявляемые к усилителю: усиление напряжения, достаточное для регистрации типовой аппаратурой, низкий уровень собственных шумов, высокое входное сопротивление, малые габариты и малая потребляемая мощность.

Перечисленным требованиям удовлетворяет усилитель, первый каскад которого выполнен на малошумящем ПТ. Принципиальная схема разработанного усилителя приведена на рисунке 4.15.

Усилитель имеет следующие технические данные:

- коэффициент усиления напряжения 40 дБ;

- уровень собственных шумов, приведен­ный ко входу в полосе 20 Гц ÷ 20 кГц

– 120 дБ;

- неравномерность частотной характерис­тики в полосе 20 Гц ÷ 20 кГц < 1дБ;

- потребляемая мощность < 50 мВт;

- габариты корпуса: высота 105мм;

диаметр 24мм;

- питание осуществляется аккумуляторной батареи 7Д 0,1

Рис. 4.15. Схема малошумящего микрофонного усилителя

Из анализа шумовых свойств активных элементов следует (см. 4.5), что в схеме малошумящего усилителя целесообразно использовать ПТ, обеспечивающие максимальное отношение шумовых параметров . Последнему требованию удовлетворяют ПТ с p-n-переходом и каналом n-типа. Ввиду того, что шумо­вые свойства усилителя в основном определяется первым каска­дом, в нем использован малошумящий ПТ типа КП303Г.

В схеме усилителя предусмотрены меры по снижению уровня шума, вносимого входной цепью. Эквивалентная схема входной цепи представляет собой параллельное соединение емкости (в основном определяемой емкостью пьезоэлектрического микро­фона, равной 300 ÷ 3000 пФ) и резистора R₁.

Тепловой шум входной цепи можно рассчитать по формуле Найквиста:

, (4.96)

где R_Э – активная составляющая сопротивления входной цепи в полосе

_Δ f=f_МАКС ÷ f_МИН.

Максимальное значение сопротивления R_Э определяется выражением:

. (4.97)

Например, в случае работы рассматриваемого усилителя с микрофоном, имеющим собственную емкость 3000 пФ на нижней рабочей частоте 20 Гц оказывается порядка 30 кОм и падает с ростом частоты.

Таким образом, влияние шумов, обусловленных резистором R₁, существенно снижается. Рассмотренная входная цепь уменьшает также влияние дробовых шумов тока затвора. В схеме усилителя целесообразно использовать ПТ с минимальным током утечки. Это с одной стороны позволяет получить максимальное значение шумового параметра R_Т и с другой – использовать высокоомные резисторы в цепи затвора. Ток затвора увеличивается примерно в 2 раза при нагревании на 10°С. Он создает падение напряжения на резисторе R₁, которое может нарушить стабильность режима работы схемы. Если из соображений получения минимального уров­ня шума необходима большая величина сопротивления резистора R₁ чем допустимо с точки зрения температурной стабильности, то его следует добиваться введением обратной связи.

В схеме усилителя термостабилизация режима по постоянно­му току осуществляется отрицательной обратной связью, вводи­мой резисторами R₃ и R₅, а также выбором напряжения U_ЗИ транзистора VT₁ вблизи температурно-стабильной точки тока стока. При этом U_ЗИ  U₀ – 0,6В.

Как видно из рисунка 4.16, экспериментально полученная спектральная плотность напряжения собственных шумов разрабо­танного усилителя располагается ниже аналогичных зависимостей для микрофонного усилителя фирмы Брюль и Кьер (Дания) и для усилителя вольтметра В3-7. Следовательно, уровень собственных шумов разработанного усилителя существенно ниже, чем у послед­них.

При работе разработанного усилителя на вход микрофонного усилителя фирмы Брюль и Кьер удается реализовать низкий уро­вень собственных шумов первого и высокий коэффициент усиления второго. Малые габариты и масса разработанного усилителя поз­воляет разместить его в том же корпусе, где размещается микрофон.

Принципиальная схема установки для исследования шумовых свойств ПТ приведена на рисунке 4.17.

Устройство состоит из блока, обеспечивающего режим испытываемому ПТ, и малошумящего усилителя с входным каскадом, собран­ном на ПТ типа КП303Г. Напряжение собственных шумов, приведенное ко входу усилителя, в полосе частот 20 Гц ÷ 40 кГц не превышает 0,8 мкВ. В устройстве предусмотрена плавная регулировка коэффи­циента усиления в пределах от 150 до 5·I0³ с помощью потенциометра R₁₇.

Рассматриваемая установка позволяет исследовать шумовые свойства полевых транзисторов с p-n-переходом, со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) и с барьером Шоттки, а также полевых тетродов. При исследовании МДП транзисторов можно оценить влияние подложки на шумовые свойства прибора, Дня этого между подложкой и истоком прикладывается напряжение от источника U₃. В случае исследования шумов полевых тетродов источник U_З используется для подачи напряжения на второй затвор.

Рис. 4.16. Частотные зависимости спектральных плотностей шумового

напряжения

Подбором сопротивления нагрузки R₁₀ и выбором питающих напряжений U_l, U₂ устанавливается режим, обеспечивающий минимум собственных шумов каскада с исследуемым ПТ. Переключатель ПЧ в схеме, приведенной на рисунке 4.17, изображен в положении измере­ния собственных шумов транзистора.

Резисторы R₄ – R₈ имитируют входное сопротивление каскада на ПТ. С их помощью исследуется зависимость шумов усилительного каскада на ПТ от сопротивления источника сигнала. Резисторы R₄ – R₈ используются также при измерении коэффициента шума ПТ. В последнем случае в качестве калиброванного генератора исполь­зуется генератор шума, выход усилителя подключается к фильтру с высокой селективностью, нагруженному на вольтметр с квадратичным детектором.

При выключенном генераторе замеряют мощность шума на выхо­де усилителя, затем с помощью потенциометра R₁₇ вводят ослабленные 3дБ и при включенном генераторе добиваются прежних показаний вольтметра. Шкала генератора шума может быть проградуирована в дБ, позволяя сразу отсчитать коэффициент шума.

При исследовании спектральной плотности шумов к выходу усилителя подключается селективный вольтметр (спектрометр фирмы Брюль и Къер).

Зная частоты измерения и определив шумовые полосы f, нетрудно рассчитать уровни шумов, приведенные ко входу, приходящиеся на 1Гц:

, (4.98)

где К – коэффициент усиления установки с учетом усиления исследуемого каскада.

Применение малошумящего ПТ в схеме установки позволило повысить ее чувствительность и производить измерения спектраль­ной плотности шумов активных элементов начиная с .