Малошумящие DC-усилители

DC-усилители предназначены для обработки сигналов низкой частоты, включая постоянную составляющую. В этой области частот действует максимальное количество источников шума, поэтому она поправу считается самой «проблемной». Здесь природа бросает нам вызов. И, как это часто бывает, именно здесь она спрятала немало полезного и любопытного. Неудивительно, что достижение высоких точностных параметров DC-усилителей стало насущной необходимостью. К этим параметрам относятся смещения, дрейфы этих смещений, различные шумы усилителей. Шумом усилителя в широком смысле считают любое непредсказуемое различие между входным и выходным сигналом этого усилителя (с точностью до коэффициента передачи). Именно этот термин, используемый для определения всех точностных параметров, вынесен в название статьи.

Введение

Интерес к этой теме появился у автора несколько лет назад, когда возникла необходимость решить одну достаточно распространенную техническую задачу. Задача заключалась в обработке сигнала низкой частоты, содержащего постоянную составляющую — стандартная задача для DC-усилителя. Необычность задачи заключалась в экстремально малой величине этого сигнала. Первое знакомство с мировым опытом решения подобных проблем привело к ошибочному выводу о том, что ничего особенного в параметрах DC-усилителя, которые были необходимы для решения этой задачи, нет. Интернет содержал множество упоминаний о DC-усилителях со значительно лучшими шумовыми характеристиками, чем требовались для решения поставленной задачи. Однако знакомство с продукцией крупных мировых производителей электронных компонентов вызвало немалое удивление. Оказалось, что по-настоящему малошумящие DC-усилители производят только небольшие фирмы по заказу компаний-потребителей. Из-за высокой стоимости подобных услуг потребители часто обходятся собственными силами. Это и вызвало особое удивление. Несколько инженеров (иногда даже один инженер) могут больше, чем крупные мировые производители? Нет достаточного спроса на этот вид продукции? Есть другие способы решения проблемы? Давайте попробуем разобраться.

Основные термины и определения теории шумов усилителя

Борьба с шумами усилителей началась в тот момент, когда появился первый усилитель. Со временем эта борьба превратилась в самостоятельную науку с развитой системой терминов и определений. Чтобы не ввести читателя в заблуждение, необходимо напомнить некоторые из них. Заранее прошу извинение за этот достаточно скучный, но совершенно необходимый раздел.

Все источники шумов усилителя принято представлять в виде двух входных источников — шумового тока (I_ш) и шумового напряжения (E_ш) (рис. 1).

Обратите внимание на внутреннее сопротивление источника сигнала R_с , которое обязательно должно учитываться при выборе усилителя и расчете его шума. Ниже приводятся основные формулы с минимальными комментариями.

Полный шум

где В — полоса частот усилителя; E_{ш_ус} — действующее значение полного шума усилителя в полосе B, пересчитанное на вход; E_ш — действующее значение шумового напряжения в полосе B (рис. 1); I_ш — действующее значение шумового тока в полосе B (рис. 1); k — постоянная Больцмана (1,38·10^–23 Дж/К); T — абсолютная температура, K; R_с — сопротивление источника сигнала.

Шум — случайный процесс, следовательно, он не может характеризоваться своими мгновенными значениями E_ш и I_ш (рис. 1). Все его характеристики — статистические. Поэтому величина E_{ш_ус} вычисляется как корень из суммы квадратов действующих значений напряжений источников шума (1). Таких источников шума — три. Первое слагаемое под знаком корня отвечает за собственное шумовое напряжение усилителя. Второе — за шум сопротивления источника сигнала. Третье — за напряжение шума, развиваемое на сопротивлении источника сигнала источником шумового тока.

В общем случае сопротивление источника сигнала комплексное. Далее будет рассматриваться упрощенный случай, когда сопротивление источника сигнала имеет только активную составляющую.

Напряжение смещения

Напряжение шума E_ш (рис. 1) на нулевой частоте.

Ток смещения

Ток шума I_ш (рис. 1) на нулевой частоте.

Плотности шумового напряжения и шумового тока

В качестве технических характеристик усилителей чаще применяются не действующие значения напряжения или тока шума, а плотности соответствующих величин по корню из полосы:

где e_ш — плотность шумового напряжения; i_ш — плотность шумового тока.

Размерности этих параметров В/√Гц или А/√Гц хорошо знакомы любому, кто имел дело сшумами усилителей. Дело в том, что эти параметры не зависят от полосы В. Поэтому их удобно использовать и специфицировать.

Коэффициент шума

где F — коэффициент шума.

Этот безразмерный параметр показывает, во сколько раз увеличивается мощность входного шума при подключении усилителя к источнику сигнала относительно минимально возможной величины. Этой минимально возможной величиной является мощность шума источника сигнала (знаменатель дроби). Коэффициент шума — важный параметр усилителя, который показывает, насколько данный усилитель соответствует данному источнику сигнала.

Коэффициент шума часто выражают в логарифмических единицах:

где N_F — логарифмический коэффициент шума, измеряемый в дБ.

Например, если F = 2, то N_F = 3 дБ. В этом случае усилитель и сопротивление источника сигнала вносят равный вклад в общую мощность шума.

Оптимальное сопротивление источника сигнала

Любой из коэффициентов шума имеет минимум при определенном сопротивлении источника сигнала, которое называется оптимальным:

где R_{с_опт} — оптимальное (с точки зрения коэффициента шума) сопротивление источника сигнала.

На этом неизбежную вводную часть можно завершить. Все, что было написано до сих пор, более всего напоминает шпаргалку для студента. Надеюсь, читатель проявит понимание и извинит за весь этот «ликбез». Упомянутые термины и определения будут использованы в статье. Пусть все необходимое будет перед глазами.

Конкретизируем тему статьи

В рамках одной статьи невозможно охватить все аспекты борьбы с шумами. Поэтому будет рассматриваться только составляющая E_ш (рис. 1), то есть шумовое напряжение. Вклады шумового тока I_ш и шума источника сигнала будем считать пренебрежимо малыми в сравнении с E_ш. Как следует из выражения (1), такая ситуация будет при R_с ≈ 0. Для современных усилителей это условие означает, что R_с ≤ 1 Ом. Какие источники сигнала имеют столь малое внутреннее сопротивление? Это термопары, токовые шунты, низкоомные датчики давления и деформации, низкоомные болометры и т. д. Достижения квантовой физики подарили нам целый спектр источников сигнала с внутренним сопротивлением, близким к нулю. Словом, ситуация, когда R_с ≤ 1 Ом, весьма распространенная и важная в практическом отношении.

Как правило, перечисленные источники сигнала являются низкочастотными, содержащими, в том числе, постоянную составляющую. При этом величина подобных сигналов часто составляет микровольты или даже доли микровольта. Для обработки таких сигналов необходим усилитель с малым напряжением смещения нуля, малым дрейфом этого смещения (температурным и временным) и малой величиной e_ш. Другими словами, необходим малошумящий DC-усилитель.

Именно это, достаточно узкое на первый взгляд, направление будет рассматриваться в статье. Но, как мы потом увидим, полученные результаты можно будет применить далеко за пределами указанной области.

Существующие способы решения проблемы

Первое, что приходит в голову при упоминании о микровольтовых сигналах с постоянной составляющей, — стандартный прецизионный операционный усилитель (ОУ). «Стандартный» в данном случае означает, что в усилителе не используется модуляция сигнала или компенсация напряжения смещения. Первоначально сам термин «операционный усилитель» означал «усилитель, способный обрабатывать постоянную составляющую сигнала». До сих пор для этой цели часто используют стандартные прецизионные ОУ. Примеры лучших из них (с точки зрения напряжения смещения и температурного дрейфа) приведены в таблице 1.

Достижения крупных производителей впечатляют. Еще совсем недавно стандартный ОУ с напряжением смещения менее 0,1 мВ автоматически попадал в разряд прецизионных. Сегодня такое смещение имеют многие бюджетные ОУ общего применения. Величины напряжения смещения и температурного дрейфа напряжения смещения, приведенные в таблице 1, не так давно казались совершенно невозможными для стандартного (пусть даже прецизионного) ОУ.

Несмотря на все успехи производителей, стандартные ОУ имеют существенный недостаток, ограничивающий возможность их применения для обработки постоянной составляющей сигнала. Дело в том, что в области низких частот любой стандартный усилитель имеет избыточный шум вида 1/ƒ.

Ниже приведена формула для плотности шумового напряжения идеального 1/ƒ-шума:

где e_ш1 — плотность напряжения 1/ƒ-шума на частоте 1 Гц; ƒ — частота.

Классическая зависимость плотности шумового напряжения от частоты для стандартного ОУ изображена на рис. 2. С уменьшением частоты ниже некоторого значения ƒ_изб (частоты избыточного шума), плотность шумового напряжения начинает возрастать. Квадрат этой величины, то есть мощность шума на каждый герц, увеличивается пропорционально 1/ƒ, что и послужило причиной такого названия шума.

Параметры стандартных ОУ и DC-усилителя, которые изображены на рис. 2, относятся к лучшим достижениям крупных мировых производителей. Кривые несколько идеализированы. На самом деле небольшой подъем плотности шумового напряжения с уменьшением частоты будет и у DC-усилителя. Реальная кривая, которая описывает 1/ƒ-шум стандартного ОУ, может отличаться от изображенной на рис. 2 наклоном или значением частоты избыточного шума. Но, в общем, рис. 2 верно отражает соотношение шумовых характеристик двух видов усилителей.

Крупные производители прилагают немало усилий для борьбы с избыточным шумом. Из заметных достижений следует отметить значительное уменьшение частоты, с которой начинается рост шума современных ОУ. Сегодня частота ƒ_изб составляет менее 1 Гц (при биполярной технологии). Однако совсем избавиться от этого вида шума в стандартных ОУ невозможно. Для этого нужны специальные схемотехнические решения. Это обстоятельство послужило причиной появления особого класса усилителей — DC-усилителей.

Хотя DC-усилитель практически не имеет 1/ƒ-шума, общий уровень его шума значительно выше, чем у стандартного ОУ (рис. 2). Это считается его большим недостатком. Поэтому отсутствие 1/ƒ-шума еще не означает, что DC-усилитель целесообразно применять на частотах менее ƒ_изб. DC-усилитель имеет преимущество по уровню шума перед стандартным ОУ только в диапазоне частот 0–0,001 Гц (рис. 2). Если полоса полезного сигнала лежит выше частоты 0,001 Гц, целесообразно применять стандартные малошумящие ОУ. Другими словами, если вас интересует не сама постоянная составляющая, а лишь ее относительно медленные изменения (но более быстрые, чем 0,001 Гц), не следует все усложнять, применяя DC-усилитель. Но если речь идет о частотном диапазоне 0–0,001 Гц, альтернативы DC-усилителям нет. Поэтому сразу несколько крупных производителей [10–13] параллельно с выпуском стандартных ОУ освоили производство специализированных DC-усилителей. Примеры лучших с точки зрения плотности шумового напряжения DC-усилителей представлены в таблице 2.

Как мы видим, напряжение смещения и температурный дрейф напряжения смещения DC-усилителя значительно меньше, чем у стандартного ОУ. За превосходные статические параметры и минимальный 1/ƒ-шум пришлось пожертвовать полосой, потреблением энергии и ценой усилителя. Уровень шумового напряжения современного DC-усилителя также заметно проигрывает стандартному малошумящему ОУ.

Схемотехнические решения, позволяющие уменьшить напряжение смещения и шум вида 1/ƒ

Из всего разнообразия схем DC-усилителей проверку временем выдержали только две. Первая схема — ПКС (периодическая компенсация напряжения смещения). Как следует из названия, эта схема периодически измеряет, запоминает и компенсирует напряжение смещения усилителя. На рис. 3. изображена наиболее распространенная схема DC-усилителя по схеме ПКС.

Обратите внимание, что каждый усилитель имеет по три входа. Этот третий вход предназначен специально для компенсации напряжения смещения. Компенсация состоит из двух фаз. Сначала вспомогательный усилитель А2 измеряет и компенсирует собственное напряжение смещения Eсм2. Сигнал, необходимый для компенсации собственного смещения, запоминается при помощи конденсатора С2. К началу второй фазы вспомогательный усилитель свободен от собственных ошибок. Во время второй фазы вспомогательный усилитель измеряет напряжение смещения Eсм1 основного усилителя А1, которое компенсируется по соответствующему третьему входу основного усилителя и запоминается при помощи конденсатора С1 до следующей фазы компенсации. Описанный алгоритм позволяет компенсировать не только напряжение смещения основного усилителя, но и его медленные изменения, то есть 1/ƒ-шум.

Схема DC-усилителя, изображенная на рис. 3, очень популярна среди производителей. Среди ее достоинств отмечают широкую полосу пропускания, которая никак не связана с частотой компенсации. Основной усилитель работает как стандартный ОУ. Схема компенсации лишь иногда корректирует его смещение, не вмешиваясь в основной процесс. Необходимо заметить, что не все инженеры разделяют восторги по поводу широкой полосы DC-усилителей по схеме ПКС. Нужна ли полоса пропускания, измеряемая мегагерцами, устройству, которое предназначено для обработки сигналов частотой менее 1 Гц? Разве не более целесообразно применить, если это необходимо, параллельный высокочастотный канал? Автор в значительной степени готов разделить эти сомнения.

Вторая схема, по которой строят DC-усилители, основана на модуляции и демодуляции сигнала (схема МДМ). Спектр полезного сигнала еще до усиления переносят на достаточно высокую частоту (выше частоты ƒ_изб ). После этой операции сигнал можно обрабатывать, не обращая внимания на напряжение смещения, дрейф и 1/ƒ-шум усилителя. Можно даже использовать усилитель переменной составляющей (АС-усилитель), как это изображено на рис. 4. После усиления сигнал демодулируется, восстанавливая свое первоначальное положение по частотному спектру.

Рамки статьи не позволяют подробнее остановиться на работе этих схем. Поэтому эпюры напряжений в соответствующих точках не приводятся. Читатели могут получить более подробную информацию из других источников [7, 9].

За последние годы фирмы, производящие DC-усилители по схеме ПКС, приложили немало усилий для развития устройств этого вида. Так, например, удалось интегрировать запоминающие конденсаторы в чип (ранее они были внешними). В современных усилителях типа AD8571, AD8572, AD8574 (Analog Devices) применяется особая технология тактирования, при которой частота задающего генератора постоянно изменяется по псевдослучайному закону [9]. Это позволяет «размазать» интенсивные линии гармоник генератора в шумовом спектре по достаточно широкой полосе частот и в значительной степени избавиться от проблем, связанных с интермодуляцией и наложением спектров. Удалось также существенно уменьшить время восстановления после перегрузки. Для современного ПКС-усилителя оно составляет менее 100 мкс [9]. Все эти достижения позволяют производителям с чувством законной гордости говорить о том, что их DC-усилители не требуют дополнительных внешних элементов и ничем не отличаются от стандартных операционных усилителей по простоте применения.

Фирмы, ориентированные на производство DC-усилителей по схеме МДМ, достигли значительных успехов в другом направлении. В последнем поколении микросхем типа OPA333 (Texas Instruments) удалось, наконец, сделать DC-усилитель по-настоящему микромощным. Этот усилитель потребляет всего 17 мкА и имеет рекордно большое отношение «полоса — потребляемый ток» и рекордно малое произведение «мощность шума — потребляемый ток» [6].

Однако абсолютное значение плотности шумового напряжения современного DC-усилителя так и не опустилось ниже 20 нВ/√Гц. Большого прогресса в уменьшении напряжения смещения и его дрейфа также не наблюдается. Фирмы-производители неохотно комментируют такое положение вещей, ссылаясь на «технические трудности». Чуть более глубокое изучение вопроса показывает, что технические трудности действительно возникли… у потребителей. Производители взвалили на плечи потребителей решение проблем, связанных с подключением источника сигнала к усилителю. Даже при современных шумовых параметрах DC-усилителей эти проблемы трудноразрешимы.

Почему это так трудно?

Дело в том, что на пути от датчика (источника сигнала) до входа усилителя неизбежно применение каких-либо разъемов, переключателей, паяных соединений и других контактов разнородных металлов. Контакт двух металлов, имеющих различную температуру, является источником паразитной термо-ЭДС. Для наиболее распространенных в электронике металлов величина этой паразитной термо-ЭДС составляет порядка 1–10 мкВ/°C. Даже в случае контакта медь-медь из-за различного химического состава примесей и поверхностных загрязнений возникает паразитная термо-ЭДС величиной до 0,2 мкВ/°C. Кроме того, паразитной термо-ЭДС обладает любой элемент схемы. Например, для металлопленочного резистора эта величина составляет около 20 мкВ/°C. Это означает, что необходимо применение эффективного термошунтирования, которое должно выровнять температуру всех входных цепей с точностью до 0,1 °C. В противном случае паразитные термо-ЭДС вызовут сигнал, который будет больше, чем собственное смещение DC-усилителя. Эту разницу температуры на концах всех паразитных термопар следует поддерживать с точностью до 0,01 °C. Иначе дрейф напряжений паразитных термо-ЭДС вызовет медленное изменение постоянной составляющей, превышающее собственный температурный дрейф DC-усилителя. Несимметричность относительно источников тепла любого элемента входной цепи, движение воздуха из-за конвекции, даже излучение лампы накаливания с расстояния 1–2 м могут катастрофически отразиться на результатах измерений. Кроме паразитных термо-ЭДС существуют и другие проблемы, связанные с обеспечением необходимой точности измерений. Это защита от внешних электрических и магнитных полей, вибраций и т. д.

Может ли средний потребитель обеспечить все необходимые условия для нормальной работы даже существующих DC-усилителей, имеющих умеренные шумовые параметры? Не уверен. Похоже, что и производители тоже не уверены. Поэтому, скорее всего, они и не торопятся улучшать эти характеристики.

Нет никакого смысла повышать качество своей продукции, если потребитель все равно не сможет этим новым качеством воспользоваться. Он, потребитель, не станет платить за одни лишь потенциальные возможности. Таким образом, возможности современной технологии позволяют сделать шаг вперед, возможности потребителя — нет.

Вывод напрашивается достаточно очевидный и достаточно неприятный для производителей. Время универсальных DC-усилителей, «неотличимых от стандартных ОУ», по всей видимости, подходит к концу. Будущее — за DC-усилителями, интегрированными с датчиками. Оптимальный вариант — интеграция на одном чипе. В тех случаях, когда инеграция на одном чипе усилителя и датчика невозможна, задача может быть решена применением единого модуля.

Для производителей это означает совершенно новую ситуацию. Вместо миллионных партий универсальных микросхем придется выпускать широкие линейки специализированных устройств. Узкая специализация и небольшие по объему партии этих изделий полностью меняют всю существующую концепцию производства DC-усилителей. Это будут устройства, ориентированные на другой сегмент рынка, другого потребителя и другую ценовую категорию. Переход на новый уровень потребует значительных затрат различных ресурсов. Однако результат подобных усилий совсем неочевиден.

Ситуация чем-то напоминает знаменитые «чайные гонки» второй половины XIX века. К моменту созревания драгоценных в те времена чайных листьев у берегов Китая собирались целые флотилии быстроходных торговых кораблей. Занимаясь погрузкой чая и подготовкой к обратному плаванию, капитаны этих судов бдительно следили друг за другом. Как только первый клипер срывался с места, команды остальных судов бросали все свои дела и устремлялись в погоню. Для такой спешки были самые серьезные основания. Финишировавший первым получал и лавры победителя, и немалый денежный приз, и возможность продать товар по максимальной цене.

Сегодня уже трудно сказать — насколько правдивы эти рассказы. Даже если все это, в основном, мифотворчество, такие истории имеют самостоятельную ценность. Мне представляется, что современная ситуация с DC-усилителями имеет много общего с той давней историей.

Фирмы-производители наблюдают за действиями друг за друга, не делая резких движений. Начало активных работ в этой области чревато потрясениями на давно сложившемся рынке. Имея все возможности, производители не спешат делать первый шаг, так как непонятно, что из этого может получиться.

Что же нужно современному потребителю?

Теперь самое время поговорить о том, что же из этого может получиться. Сначала определим потребности современной техники и рынка с точки зрения шумовых характеристик DC-усилителей. Наиболее жесткие требования в этом смысле предъявляют разнообразные измерители на основе СКВИД. Часто приходится читать о необходимой плотности шумового напряжения в 0,2–0,4 нВ/√Гц [1–5]. При этом большие величины характерны для усилителей, работающих при комнатной температуре (300 К); меньшие — для усилителей, охлаждаемых жидким азотом (77 К). Из других источников следует, что даже уровень 0,2 нВ/√Гц недостаточен для решения ряда задач [4, 5]. Исходя из сведений о собственных шумах датчиков на основе СКВИД, характере задач, решаемых с помощью этих датчиков сегодня, и перспектив развития этого многообещающего направления, можно определить необходимый уровень плотности шумового напряжения DC-усилителя в 0,05–0,1 нВ/√Гц.

Если удастся освоить производство относительно недорогого DC-усилителя, работающего при комнатной температуре, не требующего сложного обслуживания и имеющего указанный уровень плотности шумового напряжения, это будет очень важный шаг и для потребителя, и для производителя. Потребность рынка в таком устройстве уже сейчас велика. Можно не сомневаться, что в ближайшем будущем эта потребность будет только расти. Гарантии тому — интенсивное финансирование и ускоренное развитие прикладных наук, которые достижения квантовой физики превращают в магнитометры, болометры, измерители других физических величин. Все эти приборы уже сейчас находят практическое применение в медицине, материаловедении или химии. Не забудем и о «рутинных» применениях DC-усилителей совместно с термопарами, болометрами, шунтами, датчиками давления или деформации. Требования к точности измерений в этих областях также становятся все более жесткими.

Существующие возможности и перспективы

Можно ли достичь уровня плотности шумового напряжения DC-усилителя в 0,05–0,1 нВ/√Гц современными средствами без неоправданных затрат технических и материальных ресурсов? Для ответа на этот вопрос последовательно рассмотрим основные источники шумов DC-усилителя и способы борьбы с ними.

Прежде всего, следует отметить, что DC-усилитель, построенный по схеме МДМ, более перспективен с точки зрения шумов. Схема ПКС, как и любая другая схема с выборкой-хранением, подвержена переносу части высокочастотного шума в область низких частот. Любой, кто занимался цифровой обработкой сигналов, знает о том, что как только частота шума становится больше, чем половина частоты выборки, начинаются неприятности. Все это в полной мере относится и к схеме ПКС. Рис. 5 демонстрирует результаты сравнительного моделирования шумовых свойств схем ПКС и МДМ, помогая нам сделать выбор.

e_ш0 — плотность шумового напряжения основного усилителя А1 (рис. 3) или АС-усилителя (рис. 4) на частоте компенсации или модуляции. Как мы видим, процесс модуляции-демодуляции лишь немного увеличивает шум МДМ-схемы относительно исходного шума АС-усилителя. Результатом работы схемы ПКС является значительное увеличение уровня шума, особенно в самой важной для DC-усилителя низкочастотной области. Поэтому далее будут рассматриваться только DC-усилители, построенные по схеме МДМ.

В первом приближении можно считать, что во входной цепи DC-усилителя действуют следующие источники шума: собственно источник сигнала, модулятор, согласующее устройство (если оно применяется) и входной шум усилителя. Шумы источника сигнала, модулятора и согласующего устройства определяются, главным образом, активной составляющей их сопротивления (часто говорят — омическим сопротивлением). Эта связь выражается известной формулой:

где R — активная составляющая сопротивления.

Из этой формулы следует, что суммарное омическое сопротивление указанных элементов не должно превышать 0,6 Ом. Иначе плотность шумового напряжения по входу будет более 0,1 нВ/√Гц, даже без учета входного шума усилителя.

Как уже было сказано, многие классы источников сигнала имеют внутреннее омическое сопротивление много менее 0,6 Ом. Некоторые, в первом приближении, не имеют его совсем. Именно для таких источников сигнала необходим малошумящий DC-усилитель. Предположим, что шум источника сигнала пренебрежимо мал по сравнению с шумом других составляющих входной цепи.

Следующий источник шума — модулятор. Практически во всех случаях модулятор представляет собой несколько полевых транзисторов, которые работают в ключевом режиме. Основной источник шума модулятора — сопротивление открытого канала полевого транзистора. Учитывая, что в модуляторе используется несколько полевых транзисторов, необходимо использовать элементы с сопротивлением открытого канала менее 0,1 Ом.

Целый ряд крупных фирм [10, 11, 13] производит специализированные компоненты — коммутаторы аналоговых сигналов или аналоговые ключи. Лучшие из них (с точки зрения сопротивления в открытом состоянии) приведены в таблице 3.

Как мы видим, ни один из аналоговых ключей, предлагаемых сегодня на рынке, не обладает требуемым сопротивлением в открытом состоянии. Возможно, до недавних пор на такие компоненты не было достаточного спроса, и поэтому производители их не разрабатывали. Получить необходимые 0,1 Ом возможно только параллельным соединением существующих аналоговых ключей. Но подобный способ редко бывает оправданным с экономической и технической точек зрения.

В поисках решения автор обратил внимание на компоненты, для которых малое сопротивление в открытом состоянии — вопрос «жизни и смерти» без какого-либо преувеличения. Речь идет о мощных полевых транзисторах, предназначенных для коммутации больших токов. Оказалось, что производители силовой электроники уже освоили диапазон сопротивлений канала, начинающийся с 1 мОм. Такие производители, как International Rectifier (IR), выпускают широкую линейку мощных полевых транзисторов с сопротивлением канала в единицы и десятки мОм, что дает возможность выбора и по другим параметрам (малые габариты корпуса, удобные уровни управления, цена и т. д.) [14]. Некоторые из таких компонентов приведены в таблице 4 для сравнения.

Необходимо заметить, что IR, как и другие производители силовой электроники, не предполагали подобного применения своей продукции. Поэтому некоторые важные для аналоговых ключей параметры в случае силовых транзисторов не специфицируются. Например, о заряде переключения силового транзистора можно судить лишь на основании косвенных данных. Заряд переключения проявляется в том, что небольшая часть управляющего сигнала попадает в управляемую цепь. Эта часть совсем невелика. Но управляющий сигнал измеряется вольтами, а управляемый — микровольтами. Поэтому заряд переключения — серьезная проблема для модуляторов. Некоторые «родственные» заряду переключения параметры приведены в таблице 4. Очевидно, что этот вредный фактор будет много больше, чем заряд переключения специализированного аналогового ключа (таблица 3). Во-первых, потому, что для силовой электроники этот фактор некритичен, и никто не прилагает особых усилий для его уменьшения; во-вторых, потому, что таково общее правило: меньше сопротивление открытого канала — больше заряд переключения. Для борьбы с таким большим зарядом переключения обычных мер недостаточно. Требуются схемотехнические решения, позволяющие полностью исключить влияние заряда переключения на выходной сигнал.

Если решить проблему с большим зарядом переключения, современные мощные полевые транзисторы вполне пригодны для создания на их основе сверхмалошумящих модуляторов. Для этого остается лишь объединить на одном чипе несколько таких компонентов с несложной схемой синхронизации. Будет очень забавно, если IR или какой-либо другой производитель силовой электроники сделает этот шаг, опередив признанных лидеров в этой области. Это предложение, конечно же, шутка. Но в любой шутке — только доля шутки.

Про согласующее устройство поговорим немного позже. Сейчас рассмотрим возможности современных технологий с точки зрения входных шумов усилителя.

Лучшие из современных ОУ имеют входную плотность шумового напряжения немного менее 1 нВ/√Гц. Примеры приведены в таблице 1. Для DC-усилителя по схеме МДМ совсем необязательно применять ОУ с малым смещением и дрейфом. Поэтому кроме компонентов, указанных в таблице 1, возможно использовать и другие малошумящие ОУ. Читатель без труда обнаружит такие ОУ, посетив сайты известных производителей [10–13]. Однако шумовые параметры любого современного ОУ не будут лучше, чем 0,7 нВ/√Гц.

Следует заметить, что ОУ имеет два входа и, следовательно, два равноправных источника входного шума. Для DC-усилителя по схеме МДМ необязательно применять дифференциальный входной каскад. Поэтому можно ограничиться применением усилителя переменной составляющей с одним входом.

Последнее обстоятельство приводит к необходимости рассмотреть шумовые характеристики дискретных транзисторов.

Необходимо напомнить классическую формулу для плотности шумового напряжения биполярного транзистора:

где q — заряд электрона (1,6·10^–19 Кл); I_к — ток коллектора; h₂₁ — коэффициент передачи тока базы.

В первом приближении предположим, что R_с = 0. В этом случае выражение (9) упрощается:

Из выражения (10) следует, что в случае идеального биполярного транзистора, работающего при R_с = 0, плотность шумового напряжения зависит только от тока коллектора.

При каком токе коллектора должен работать идеальный биполярный транзистор, чтобы плотность шумового напряжения на его входе была 0,1 нВ/√Гц? Выражение (10) дает однозначный ответ:

Многие производители выпускают малошумящие биполярные или полевые транзисторы. Примеры таких компонентов приведены в таблице 5.

Если применить формулу (10) к параметрам биполярных транзисторов, указанных в таблице 5, то окажется, что реальный транзистор имеет плотность шумового напряжения примерно в 1,5–2 раза больше идеального.

Следует заметить, что выражение (9) не учитывает такого параметра биполярного транзистора, как дополнительное сопротивление базы. Величина этого параметра для маломощного малошумящего биполярного транзистора составляет порядка десятков или сотен Ом. Поэтому с увеличением тока коллектора плотность шумового напряжения падает медленнее, чем указывает выражение (9). При больших токах коллектора шум дополнительного сопротивления базы становится основным источником шума биполярного транзистора. Для учета этой составляющей шума необходимо увеличить параметр R_с формулы (9) на величину этого дополнительного сопротивления. К сожалению, дополнительное сопротивление базы редко специфицируется производителями транзисторов.

Часто бывает, что при больших токах коллектора и малых сопротивлениях источника сигнала шум мощных (не малошумящих) биполярных транзисторов оказывается меньше, чем у малошумящих биполярных транзисторов. Это происходит именно из-за малого дополнительного сопротивления базы мощных биполярных транзисторов. В таблице 5 приведены примеры такой ситуации.

Естественно, что удобнее применить один мощный биполярный транзистор, способный работать при значительных токах коллектора, чем параллельное соединение множества маломощных малошумящих биполярных транзисторов. Замечу, что один мощный биполярный транзистор можно рассматривать именно как параллельное соединение множества маломощных.

Что касается полевых транзисторов, плотность шумового напряжения у них несколько выше, чем у биполярных транзисторов, зато плотность шумового тока — много меньше. Основной источник шумового напряжения полевого транзистора — тепловой шум активной составляющей сопротивления канала. Амплитуда этого шума уменьшается с ростом тока стока практически по тому же закону, что и у биполярного транзистора с ростом тока коллектора. Почти все замечания, касающиеся биполярных транзисторов, остаются справедливыми и для данного случая. Поэтому не будем останавливаться на особенностях шума полевых транзисторов более подробно.

Так или иначе, выражение (10) дает заниженную оценку необходимого тока. Практически для получения плотности шумового напряжения 0,1 нВ/√Гц потребуется в 2–4 раза больший ток коллектора.

Возможно, для каких-то единичных применений такое энергопотребление окажется допустимым. Но это может быть только модульная конструкция DC-усилителя. При интеграции такого входного каскада в чип возникнут трудноразрешимые проблемы с отводом тепла и эффективным термошунтированием (паразитные термо-ЭДС). В любом случае желательно найти другое решение.

Это другое решение связано с применением согласующего устройства между модулятором и входом усилителя. Дело в том, что современные усилители при работе с низкоомными (R_с ≤ 1 Ом) источниками сигнала имеют высокий коэффициент шума. Если обратиться к таблице 1, то мы увидим, что оптимальное сопротивление источника сигнала составляет сотни Ом даже для биполярного входного каскада. Для полевого входного каскада оно намного больше. Можно сказать, что современные усилители совершенно не подходят для работы с R_с ≤ 1 Ом. Рис. 6 иллюстрирует это утверждение.

Замечу, что на рис. 6 представлен ОУ, входной каскад которого специально разработан для применения в схемах с низкоомными источниками сигнала. Практически любой другой ОУ в этой ситуации будет выглядеть намного хуже.

Вывод очевиден — необходимо трансформировать слишком малое сопротивление источника сигнала до оптимального значения:

где К — коэффициент трансформации.

Какое устройство может решить эту задачу? Первая мысль — использовать трансформатор сопротивлений. В нашем случае трансформатор должен быть повышающим (рис. 7).

К удивлению автора, такое решение успешно применялось еще в первой половине XX века. То были легендарные времена, когда коммутаторы аналоговых сигналов (механические) работали на частотах в десятки герц. Повышающие трансформаторы (силовые) вполне справлялись с задачей трансформации сопротивления. Усилители (ламповые) шумели так сильно, что любые меры по понижению этого шума были совершенно оправданы.

Как следует из современных источников, этот способ трансформации сопротивления источника сигнала применяется до сих пор [4]. Современные аналоговые модуляторы работают много быстрее, чем их механические предки. Это позволило уменьшить массогабаритные характеристики трансформатора, но и только. Трансформатор был и остается совершенно неинтегрируемым элементом. Не будет большим преувеличением, если сказать, что последние сто лет технического развития почти не затронули этот замечательный компонент. Хотя производители трансформаторов наверняка будут против такого утверждения.

Так или иначе, применение классического согласующего трансформатора может быть очень ограниченным и только в модульных конструкциях DC-усилителей. Как прототип для серийного производства такое решение неприемлемо.

Существует еще несколько способов трансформировать сопротивление источника сигнала, о которых почему-то редко вспоминают.

Например, в качестве трансформатора сопротивлений может применяться колебательный контур (рис. 8). В этом случае также не обойтись без индуктивности. Разница в том, что величина этой индуктивности может быть много меньше, чем индуктивность первичной и, особенно, вторичной обмоток трансформатора сопротивлений. То же можно сказать и о массогабаритных характеристиках. Таким образом, элемент величиной с кулак превращается в два обыкновенных дискретных элемента.

Как мы помним, суммарное омическое сопротивление всех элементов входной цепи не должно превышать 0,6 Ом. Теперь к числу этих элементов необходимо добавить колебательный контур. Следовательно, активная составляющая сопротивления контура должна быть менее 0,6 Ом. Это условие накладывает ограничение на выбор конденсатора и индуктивности для контура. Данное условие нельзя назвать слишком жестким. Если посетить сайты известных производителей пассивных компонентов [15–17], мы найдем все необходимое. Конденсаторы следует искать с минимальным коэффициентом диссипации, а индуктивности — с минимальным активным сопротивлением. Из серийно выпускаемых конденсаторов заслуживают внимания компоненты с диэлектриком типа NP0 (C0G). Такие высокодобротные и температурно-независимые керамические конденсаторы выпускают Epcos, Hitano, Murata и ряд других производителей. В качестве индуктивностей возможно применение компонентов для поверхностного монтажа типа B82464G, B82477G, B82464A (Epcos) или LQH66S (Murata). Если требуется более высокая добротность колебательного контура, необходимо применить специальные компоненты из ферритов для резонансных цепей типа N48 или M33 (Epcos).

Данный список не претендует на полноту и является лишь доказательством того, что ведущие мировые производители уже давно освоили массовое производство необходимых компонентов. Читатель может дополнить этот список, ознакомившись с продукцией ведущих мировых производителей. Практический опыт автора позволяет утверждать, что при использовании серийно выпускаемых компонентов удается получить коэффициент трансформации К ≈ 40…80. Этого оказалось вполне достаточно для достижения плотности шумового напряжения DC-усилителя e_ш ≤ 0,1 нВ/√Гц.

Наконец, возможна трансформация сопротивления источника сигнала без каких-либо индуктивных элементов. Речь идет о конденсаторных умножителях напряжения (рис. 9).

Принцип действия такого умножителя очень прост. Сначала несколько конденсаторов подключаются к источнику сигнала параллельно и заряжаются до напряжения источника сигнала. Затем эти конденсаторы соединяются последовательно «в колонну» и подключаются к входу усилителя. Величина входного сигнала умножается на количество конденсаторов. Потом цикл повторяется. Автор применял и эту схему, однако отказался от нее из-за большого количества коммутаторов и сложной синхронизации. Большим плюсом этой схемы является возможность ее полной интеграции в чип. При интегральном исполнении сложная схемотехника не считается большим недостатком. Поэтому схема DC-усилителя, изображенная на рис. 9, также заслуживает внимания.

Следует особо подчеркнуть, что низкий уровень шумового напряжения для любой из трех последних схем достигается не только в диапазоне 1/ƒ-шума, но и далеко за его пределами. При достаточно высокой частоте модуляции возможно расширение рабочей полосы до 1–2 кГц. В перспективе — до полного диапазона звуковых частот. Столь низкий уровень шумового напряжения совершенно недостижим для современных ОУ. Это обстоятельство открывает новые возможности для применения DC-усилителей. В недалеком будущем эти устройства смогут выйти за рамки своей привычной области частот 0–0,001 Гц и потеснить стандартные малошумящие ОУ на их «исконной» частотной территории.

Для читателей, которые воспримут данную статью как руководство к действию, необходимо сделать важное предостережение. Схемы DC-усилителей, изображенных на рис. 8 и 9, можно применять только в том случае, если полностью решить проблему с зарядом переключения аналоговых ключей. Обычно в схемах с модуляторами используют защитные временные интервалы. Ключи срабатывают, паразитный импульс постепенно затухает до приемлемого значения, лишь после этого начинается обработка выходного сигнала. Но для схем, изображенных на рис. 8 и 9, стандартный метод не работает. Короткие и мощные паразитные импульсы заставляют колебательный контур «звенеть» на частоте настройки (рис. 8) или заряжают умножительные конденсаторы до напряжения, большего, чем напряжение источника сигнала (рис. 9). Ждать в этих случаях бесполезно. К началу следующего цикла колебания контура не прекратятся, а заряд умножительных конденсаторов не исчезнет. Для двух последних схем необходимы более эффективные методы борьбы с зарядом переключения. Эти методы лежат в схемотехнической области, и их обсуждение выходит за рамки данной статьи. Если вас интересует один-единственный работающий образец, обратите внимание на схему DC-усилителя, изображенную на рис. 7. При всей своей «старомодности» она быстрее и надежнее ведет к цели.

Схемы, изображенные на рис. 8 и 9, следует рассматривать в качестве перспективы для развития DC-усилителей.

Выводы

Успехи фундаментальных, а также прикладных наук, возрастающие запросы техники и потребителей делают неизбежным дальнейшее улучшение качества DC-усилителей.

Сегодня необходим DC-усилитель, работающий при комнатной температуре, интегрированный с датчиком-источником сигнала, имеющий уровень шумового напряжения 0,05–0,1 нВ/√Гц.

Естественный процесс улучшения параметров DC-усилителей в настоящее время остановился, так как существующие методы почти исчерпаны.

В то же время современные технологии в лице уже существующих компонентов способны решить задачу.

Для перехода на новый уровень потребуются современная элементная база, нестандартные технические и бизнес-решения.

Литература

1. http://www.supracon.com/page.php/2/2/45
2. Zakosarenko V., Kunert J., Schultze V., Meyer H.–G. Low-Noise Integrated SQUID Electronics Operating in Liquid Nitrogen. Applied Superconductivity, IEEE Transactions on Volume 9, Issue 2, Jun 1999.
3. Oukhanski N., Stolz R., Meyer H.–G. Ultra-low-drift and very fast dc SQUID readout electronics. Journal of Physics: Conference Series 43 (2006).
4. Хребтов И. А., Ткаченко А. Д., Иванов К. В., Dam B., Klaassen F. E., Huijbregtse J. M. Шумовые свойства YBCO пленок с сильным пиннингом. Письма в ЖТФ, 2000, т. 26, вып. 24.
5. Ukhansky N. N., Gudoshnikov S. A., Vengrus I. I., Snigirev O. V. Low Noise Liquid- Nitrogen-Cooled Preamplifier for a High-Tc SQUID. Proc. of 5^th International Superconductive Electronics Conference (ISEC’95), September 18–21, 1995 Nagoya, Japan.
6. Kugelstadt T. New zero-drift amplifier. http://focus.ti.com/lit/an/slyt272/slyt272.pdf
7. Makinwa K. Dynamic offset-cancellation techniques. http://www.ewh.ieee.org/tc/sensors/Tutorials/makinwa.pdf
8. Smith L., Sheingold D. H. Noise and operational amplifier circuits. http://www.analog.com/library/analogDialogue/cd/vol3n1.pdf
9. Нолан Э. Усилители с автоматической коррекцией нуля: без мистики — часть 1. http://www.eltech.spb.ru/pdf/A_D/AZA1.pdf
10. www.analog.com
11. www.maxim-ic.com
12. www.linear.com
13. www.ti.com
14. www.irf.com
15. www.epcos.com
16. www.hitano.com.tw
17. www.murata.com