СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТРАНЗИСТОРНЫХ И ЛАМПОВЫХ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЕЙ
УДК 621.391.822:621.375,121
В. Н. МАСЛЕННИКОВ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТРАНЗИСТОРНЫХ И ЛАМПОВЫХ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЕЙ
Рассматриваются шумовые характеристики ламп и транзисторов в видеоусилителях, работающих от электровакуумной передающей телевизионной трубки (источника тока). Получены соотношения, позволяющие выбрать активный элемент, наиболее подходящий по шумовым характеристикам для видеоусилителя. Ключевые слова: чувствительность, шумы, видеоусилитель, активный элемент, телевизионный датчик.
В телевизионных датчиках в качестве преобразователей свет—сигнал чаще всего в настоящее время используются твердотельные матрицы, а видеоусилители выполняются на транзисторах. Однако существуют специфические области применения телевизионных устройств и систем (например, в радиационной среде), где приходится использовать электровакуумные приборы, в том числе электронные лампы и передающие трубки.
Чувствительность ТВ-датчиков в значительной степени определяется шумами предварительного видеоусилителя. Особенностью таких усилителей является то, что они работают от источника тока, зашунтированного выходной паразитной емкостью.
В настоящей статье сравниваются шумы видеоусилителей, выполненных на электронных лампах и транзисторах.
В видеоусилителях, используемых в ТВ-датчиках, основными являются дробовые, тепловые и фликкер-шумы. На рис. 1 и 2 соответственно представлены шумовые эквивалентные схемы электронной лампы [1] и биполярного транзистора [2], где приняты следующие обозначения:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
76 В. Н. Масленников
— для электронной лампы: Cвх, Cпр и Cвых — соответственно входная, проходная и выходная паразитные емкости активного элемента; S — крутизна статической входной характе-
ристики; Ri — внутреннее сопротивление; — для биполярного транзистора: Cвх и Cпр — соответственно емкости эмиттерного и
коллекторного переходов, включающие барьерные и диффузионные составляющие; S — кру-
тизна транзистора; r — низкочастотное сопротивление эмиттерного перехода в схеме с об-
щим эмиттером; rБ — сопротивление базы.
Cпр
Сe
А
U
i Cвх К
Ri Cвых SU
К
Рис. 1
Б eБ rБ Б'
Cпр e
К
r U SU
i Cвх ЭЭ
Рис. 2
На рис. 1: e — источник дробовых шумов лампы или, соответственно, тепловых шумов
канала полевого транзистора, в том числе и фликкер-шумов; i — источник шумов токов утеч-
ки сетки или затвора. Параметры источников шума определяются следующими соотноше-
ниями:
d
e2
=
4kTrш
df
+
Ф f
df
;
d i2 = 2qIут. эквdf ,
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; rш — эквивалентное сопротивление шумов; Ф — эмпирическая константа фликкер-шумов (например, для транзистора
КП307А Φ ≤ 2⋅10−14 В–2); f — частота; q — заряд электрона; Iут. экв — эквивалентный ток
утечки; для ламп и полевых транзисторов с р—n-переходом этот ток равен сумме всех составляющих тока утечки, а для транзисторов с изолированным затвором
Iут. экв = 2ϕT gут ,
где ϕT = kT q — температурный потенциал, gут — проводимость тока утечки затвора.
На рис. 2 источники характеризуют: e — дробовые шумы тока коллектора, i — дробо-
вые шумы тока базы, eБ — тепловые шумы сопротивления базы:
d e2 = 4kTrшdf ;
di2
=
2q
⎣⎡ IЭ
(1−α)+
Iк0
⎤⎦
df
+
Φ
' IЭ f
df ;
d eБ2 = 4kTrБdf ,
где IЭ — постоянная составляющая тока эмиттера; Iк0 — обратный ток коллекторного перехода; α — статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой; Φ' — константа, составляющая для некоторых транзисторов (3,5…18) 10–17 А [3].
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
Сравнительный анализ чувствительности транзисторных и ламповых видеоусилителей 77
Здесь рассматриваются усилители, выполненные на лампах и транзисторах, включенных по основной схеме (с общим катодом, эмиттером или истоком). При сравнении учитываются только основные шумы усилителя — шумы первого каскада.
На рис. 3 приведена эквивалентная схема первого каскада на лампе или полевом транзисторе: здесь показаны источник сигнала (передающая трубка) с током Iс и выходной емкостью C; R и iR — сопротивление нагрузки источника сигнала и его тепловые шумы,
d iR2 = 4kTdf R ; Zн — эквивалентная нагрузка каскада.
Cпр
Сe
А
IС R
C iR
i Cвх К
U
Zн Ri Cвых
SU К
Рис. 3
Шумы таких видеоусилителей целесообразно характеризовать отношением сигнал/шум
или приведенным ко входу усилителя (к полюсам сигнала) эквивалентным шумовым током,
что практически равноценно. Приведенный ток шума лампы или полевого транзистора (обо-
значенных индексами „л“ и „пт“), усредненный в полосе Δf, символически может быть пред-
ставлен выражением
∫ { }iвх. л,пт = d iR +i +eκ 1 R+ jωCΣ ,
(1)
Δf
где ω = 2πf , κ =1 1− jωCпр / S , CΣ = C +C0 , C0 = Cвх +Cпр.
Приведенный шум усилителя, выполненного на биполярном транзисторе (индекс „бт“), определяется как
∫iвх. бт = d ⎪⎨⎧iR + i
Δf ⎩⎪
Z + rБ Z
+ eκ
Z + rБ + Z0 ZZ0
+
eБ Z
⎫⎪ ⎬ ⎭⎪
,
(2)
где Z0 = r / (1+ jωC0r ) , Z = R / (1+ jωCR) .
Коэффициент κ в приведенных выражениях практически близок к единице и в дальнейшем не учитывается.
При сравнении активных элементов по шумовым характеристикам выделить какуюлибо составляющую как главную нельзя, что обусловлено зависимостью от области усиливаемых частот. Поэтому целесообразно сравнить активные элементы по аналогичным составляющим шума с помощью выражений (1) и (2).
Сравним шумовые характеристики лампы и полевого транзистора. Так как выражение (1)
является для них общим, то сравнение сведется к анализу параметров rш , C0 , Iут. экв и Ф .
Дробовые шумы ламп и тепловые шумы канала полевых транзисторов в среднем одного
порядка, так как одного порядка величины rш ⋅CΣ [4]. При этом шумы транзисторов мень-
ше, чем шумы ламп: так, полевые транзисторы (например, КП307, КП302) лучше таких „малошумящих“ ламп, как 6С3П, 6С15П, 6Ж11П (в триодном режиме). Следует заметить, что в настоящее время транзисторы КП303, КП307, КП341 являются одними из лучших отечест-
венных полевых транзисторов ( Cвх ≈ 5 пФ , Cпр ≈ 2 пФ , S ≈ 5мА/В , малые фликкер-шумы).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
78 В. Н. Масленников
И лампы, и полевые транзисторы имеют большой разброс как по уровню шумов тока утечки, так и по самим токам утечки. Ток затвора различных полевых транзисторов составляет 10–8…10–17 А [5], а сеточный ток ламп — 10–7…10–15 А [6]. При этом эквивалентный ток утечки, а значит, и шумы полевых транзисторов с p—n-переходом меньше, чем приемноусилительных, а транзисторов с изолированным затвором — меньше, чем электрометрических ламп.
По уровню фликкер-шумов, которые иногда называют непрогнозируемыми, лампы и полевые транзисторы также имеют большой разброс, однако некоторые (лучшие) типы ламп и полевых транзисторов с p—n-переходом имеют практически одинаковую ЭДС фликкершумов. Так, спектральная составляющая шумов нувистора 6С51Н на частоте 20 Гц, согласно работе [7], составляет примерно 15 нВ/Гц1/2, а полевого транзистора КП303А (по паспорту) — не более 30 нВ/Гц1/2.
Таким образом, по всем составляющим полевые транзисторы либо сравнимы с лампами, либо лучше их.
При сравнении биполярного транзистора с рассмотренными активными элементами
предполагается, что rБ
В. Н. МАСЛЕННИКОВ
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТРАНЗИСТОРНЫХ И ЛАМПОВЫХ ВИДЕОУСИЛИТЕЛЕЙ
Рассматриваются шумовые характеристики ламп и транзисторов в видеоусилителях, работающих от электровакуумной передающей телевизионной трубки (источника тока). Получены соотношения, позволяющие выбрать активный элемент, наиболее подходящий по шумовым характеристикам для видеоусилителя. Ключевые слова: чувствительность, шумы, видеоусилитель, активный элемент, телевизионный датчик.
В телевизионных датчиках в качестве преобразователей свет—сигнал чаще всего в настоящее время используются твердотельные матрицы, а видеоусилители выполняются на транзисторах. Однако существуют специфические области применения телевизионных устройств и систем (например, в радиационной среде), где приходится использовать электровакуумные приборы, в том числе электронные лампы и передающие трубки.
Чувствительность ТВ-датчиков в значительной степени определяется шумами предварительного видеоусилителя. Особенностью таких усилителей является то, что они работают от источника тока, зашунтированного выходной паразитной емкостью.
В настоящей статье сравниваются шумы видеоусилителей, выполненных на электронных лампах и транзисторах.
В видеоусилителях, используемых в ТВ-датчиках, основными являются дробовые, тепловые и фликкер-шумы. На рис. 1 и 2 соответственно представлены шумовые эквивалентные схемы электронной лампы [1] и биполярного транзистора [2], где приняты следующие обозначения:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
76 В. Н. Масленников
— для электронной лампы: Cвх, Cпр и Cвых — соответственно входная, проходная и выходная паразитные емкости активного элемента; S — крутизна статической входной характе-
ристики; Ri — внутреннее сопротивление; — для биполярного транзистора: Cвх и Cпр — соответственно емкости эмиттерного и
коллекторного переходов, включающие барьерные и диффузионные составляющие; S — кру-
тизна транзистора; r — низкочастотное сопротивление эмиттерного перехода в схеме с об-
щим эмиттером; rБ — сопротивление базы.
Cпр
Сe
А
U
i Cвх К
Ri Cвых SU
К
Рис. 1
Б eБ rБ Б'
Cпр e
К
r U SU
i Cвх ЭЭ
Рис. 2
На рис. 1: e — источник дробовых шумов лампы или, соответственно, тепловых шумов
канала полевого транзистора, в том числе и фликкер-шумов; i — источник шумов токов утеч-
ки сетки или затвора. Параметры источников шума определяются следующими соотноше-
ниями:
d
e2
=
4kTrш
df
+
Ф f
df
;
d i2 = 2qIут. эквdf ,
где k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; rш — эквивалентное сопротивление шумов; Ф — эмпирическая константа фликкер-шумов (например, для транзистора
КП307А Φ ≤ 2⋅10−14 В–2); f — частота; q — заряд электрона; Iут. экв — эквивалентный ток
утечки; для ламп и полевых транзисторов с р—n-переходом этот ток равен сумме всех составляющих тока утечки, а для транзисторов с изолированным затвором
Iут. экв = 2ϕT gут ,
где ϕT = kT q — температурный потенциал, gут — проводимость тока утечки затвора.
На рис. 2 источники характеризуют: e — дробовые шумы тока коллектора, i — дробо-
вые шумы тока базы, eБ — тепловые шумы сопротивления базы:
d e2 = 4kTrшdf ;
di2
=
2q
⎣⎡ IЭ
(1−α)+
Iк0
⎤⎦
df
+
Φ
' IЭ f
df ;
d eБ2 = 4kTrБdf ,
где IЭ — постоянная составляющая тока эмиттера; Iк0 — обратный ток коллекторного перехода; α — статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой; Φ' — константа, составляющая для некоторых транзисторов (3,5…18) 10–17 А [3].
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
Сравнительный анализ чувствительности транзисторных и ламповых видеоусилителей 77
Здесь рассматриваются усилители, выполненные на лампах и транзисторах, включенных по основной схеме (с общим катодом, эмиттером или истоком). При сравнении учитываются только основные шумы усилителя — шумы первого каскада.
На рис. 3 приведена эквивалентная схема первого каскада на лампе или полевом транзисторе: здесь показаны источник сигнала (передающая трубка) с током Iс и выходной емкостью C; R и iR — сопротивление нагрузки источника сигнала и его тепловые шумы,
d iR2 = 4kTdf R ; Zн — эквивалентная нагрузка каскада.
Cпр
Сe
А
IС R
C iR
i Cвх К
U
Zн Ri Cвых
SU К
Рис. 3
Шумы таких видеоусилителей целесообразно характеризовать отношением сигнал/шум
или приведенным ко входу усилителя (к полюсам сигнала) эквивалентным шумовым током,
что практически равноценно. Приведенный ток шума лампы или полевого транзистора (обо-
значенных индексами „л“ и „пт“), усредненный в полосе Δf, символически может быть пред-
ставлен выражением
∫ { }iвх. л,пт = d iR +i +eκ 1 R+ jωCΣ ,
(1)
Δf
где ω = 2πf , κ =1 1− jωCпр / S , CΣ = C +C0 , C0 = Cвх +Cпр.
Приведенный шум усилителя, выполненного на биполярном транзисторе (индекс „бт“), определяется как
∫iвх. бт = d ⎪⎨⎧iR + i
Δf ⎩⎪
Z + rБ Z
+ eκ
Z + rБ + Z0 ZZ0
+
eБ Z
⎫⎪ ⎬ ⎭⎪
,
(2)
где Z0 = r / (1+ jωC0r ) , Z = R / (1+ jωCR) .
Коэффициент κ в приведенных выражениях практически близок к единице и в дальнейшем не учитывается.
При сравнении активных элементов по шумовым характеристикам выделить какуюлибо составляющую как главную нельзя, что обусловлено зависимостью от области усиливаемых частот. Поэтому целесообразно сравнить активные элементы по аналогичным составляющим шума с помощью выражений (1) и (2).
Сравним шумовые характеристики лампы и полевого транзистора. Так как выражение (1)
является для них общим, то сравнение сведется к анализу параметров rш , C0 , Iут. экв и Ф .
Дробовые шумы ламп и тепловые шумы канала полевых транзисторов в среднем одного
порядка, так как одного порядка величины rш ⋅CΣ [4]. При этом шумы транзисторов мень-
ше, чем шумы ламп: так, полевые транзисторы (например, КП307, КП302) лучше таких „малошумящих“ ламп, как 6С3П, 6С15П, 6Ж11П (в триодном режиме). Следует заметить, что в настоящее время транзисторы КП303, КП307, КП341 являются одними из лучших отечест-
венных полевых транзисторов ( Cвх ≈ 5 пФ , Cпр ≈ 2 пФ , S ≈ 5мА/В , малые фликкер-шумы).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2010. Т. 53, № 9
78 В. Н. Масленников
И лампы, и полевые транзисторы имеют большой разброс как по уровню шумов тока утечки, так и по самим токам утечки. Ток затвора различных полевых транзисторов составляет 10–8…10–17 А [5], а сеточный ток ламп — 10–7…10–15 А [6]. При этом эквивалентный ток утечки, а значит, и шумы полевых транзисторов с p—n-переходом меньше, чем приемноусилительных, а транзисторов с изолированным затвором — меньше, чем электрометрических ламп.
По уровню фликкер-шумов, которые иногда называют непрогнозируемыми, лампы и полевые транзисторы также имеют большой разброс, однако некоторые (лучшие) типы ламп и полевых транзисторов с p—n-переходом имеют практически одинаковую ЭДС фликкершумов. Так, спектральная составляющая шумов нувистора 6С51Н на частоте 20 Гц, согласно работе [7], составляет примерно 15 нВ/Гц1/2, а полевого транзистора КП303А (по паспорту) — не более 30 нВ/Гц1/2.
Таким образом, по всем составляющим полевые транзисторы либо сравнимы с лампами, либо лучше их.
При сравнении биполярного транзистора с рассмотренными активными элементами
предполагается, что rБ