Виртуальная лабораторная работа:
моделирование полупроводниковых приборов
ШУМЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ
(транзисторах)
2020 г.
1
Схемы для расчета приведенного ко входу шумового тока
Т. н. токовый усилитель: при глубокой ОC Ki=R3/R4=10.
Коэффициент преобразования входного тока в
выходное напряжение (для приведения шумов ко
входу) Su=Uн/iг=Ki*R2=30 k [Ом]
Усилитель с ПТ с управляющим pn-переходом на
входе и последующим идеальным ОУ.
Коэффициент преобразования входного тока в
выходное напряжение (для приведения шумов ко
входу) Su=Uн/iг=R7=100 k [Ом]
2
Проверка режимных токов и напряжений
Токи и напряжения подтверждают работу
транзисторов в нормальной активной
области. У обоих транзисторов достаточно
большое напряжение Uкэ, что расширяет
динамический диапазон усилителя.
Токи и напряжения подтверждают работу
транзистора в пологой области выходных
ВАХ. Напряжение Uзи заметно
отличается от нуля, так что транзистор
работает не при самом большом
значении крутизны.
3
Проверка вкладов в шумы элементов схемы: фрагмент *.out файла для схемы с
биполярным транзистором.
** Profile: "SCHEMATIC1-e" [ D:\ORCAD_WORK\noise2-PSpiceFiles\SCHEMATIC1\e.sim ]
*** NOISE ANALYSIS
TEMPERATURE = 27.000 DEG C
******************************************************************************
FREQUENCY = 1.000E+02 HZ
**** TRANSISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)
Q_Q1
Q_Q2
RB
1.280E-18 3.490E-21
Шумовой ток транзистора Q1 на входе преобладает.
RC
2.796E-24 3.726E-26
Коэффициент преобразования Vout/Iin близок к
RE
0.000E+00 0.000E+00
теоретическому (30 кОм).
IBSN 4.893E-15 7.328E-17
Приведенный ко входу шумовой ток около
IC
1.110E-16 1.365E-18
2,6 пА/ √Гц.
IBFN 0.000E+00 0.000E+00
TOTAL 5.006E-15 7.465E-17
**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)
R_R1
R_R3
R_R5
R_R7
R_R8
R_R2
TOTAL 1.629E-18 1.280E-15 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 4.967E-17
R_R4
TOTAL 1.417E-16
*** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE
= 6.553E-15 SQ V/HZ
= 8.095E-08 V/RT HZ
TRANSFER FUNCTION VALUE:
V(OUT)/I_I1
= 3.071E+04
4
EQUIVALENT INPUT NOISE AT I_I1 = 2.636E-12 A/RT HZ
Проверка вкладов в шумы элементов схемы: фрагмент *.out файла для схемы с
полевым транзистором.
**** 05/27/20 10:44:58 ***** PSpice 16.6.0 (October 2012) ***** ID# 0 ********
** Profile: "SCHEMATIC1-e" [ D:\ORCAD_WORK\noise2-PSpiceFiles\SCHEMATIC1\e.sim ]
**** NOISE ANALYSIS
TEMPERATURE = 27.000 DEG C
******************************************************************************
Шумовой ток транзистора J1 на входе намного
FREQUENCY = 1.000E+02 HZ
**** JFET SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ) меньше, чем шум резистора R7 и шум. ток БТ.
Коэффициент преобразования Vout/Iin близок к
J_J1
теоретическому (100 кОм).
RD 1.645E-25
Приведенный ко входу шумовой ток транзистора
RS 1.667E-20
по формуле Шоттки при токе затвора 1 пА (?!)
ID 9.658E-18
около 6 *10-4 пА/ √Гц.
FN 6.119E-16
TOTAL 6.216E-16
**** RESISTOR SQUARED NOISE VOLTAGES (SQ V/HZ)
R_R1
R_R3
R_R5
R_R7
R_R8
R_R2
TOTAL 0.000E+00 0.000E+00 2.539E-18 1.657E-15 0.000E+00 0.000E+00
R_R4
TOTAL 0.000E+00
**** TOTAL OUTPUT NOISE VOLTAGE
= 2.281E-15 SQ V/HZ
= 4.776E-08 V/RT HZ
TRANSFER FUNCTION VALUE:
V(OUTJ)/I_I2
= 9.998E+04
EQUIVALENT INPUT NOISE AT I_I2 = 4.777E-13 A/RT HZ
5
Коэффициенты преобразования входного тока в выходное напряжение.
140KV
120KV
100KV
80KV
60KV
40KV
20KV
0V
100Hz
V(R2:1)
300Hz
V(OUTJ)
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
300KHz
1.0MHz
3.0MHz
10MHz
30MHz
100MHz
300MHz
1.0GHz
Frequency
Значения коэффициентов передачи на низких и средних частотах соответствуют
ожидаемым.
Полоса пропускания схемы на ПТ заметно больше (из-за влияния глубокой ООС).
6
Приведенный ко входу шумовой ток схемы на БТ.
40pA
30pA
20pA
10pA
SEL>>
0A
I(INOISE)
100nV
50nV
0V
100Hz
300Hz
V(ONOISE)
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
300KHz
1.0MHz
3.0MHz
10MHz
30MHz
100MHz
300MHz
1.0GHz
Frequency
7
Приведенный ко входу шумовой ток схемы на ПТ.
15pA
10pA
5pA
0A
I(INOISE)
1.5uV
1.0uV
0.5uV
SEL>>
0V
100Hz
V(ONOISE)
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
300KHz
1.0MHz
3.0MHz
10MHz
30MHz
100MHz
300MHz
1.0GHz
Frequency
Преобладает влияние теплового шума резистора на входе.
8
Схемы для расчета приведенного ко входу шумового напряжения
На входе – генераторы напряжения, выходы перенесены на коллектор и сток
транзисторов Q1 и J1. Вторые каскады не работают (разорваны цепи ОС).
9
Проверка режимных токов и напряжений
Постоянные составляющие входных сигналов устанавливают те же режимы работы
транзисторов на входах.
Оба транзистора в активном режиме.
10
Коэффициенты усиления по напряжению.
20V
16V
12V
8V
4V
0V
100Hz
V(Q1:c)
300Hz
V(OUTJ)
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
300KHz
1.0MHz
3.0MHz
10MHz
30MHz
100MHz
300MHz
1.0GHz
Frequency
Коэффициенты определяются собственными усилительными свойствами транзисторов.
Полосы пропускания схем практически одинаковы и для схемы на ПТ намного меньше,
чем в схеме с активным действием цепи ОС.
11
Приведенное ко входу шумовое напряжение схемы на БТ.
4.0nV
3.0nV
2.0nV
1.0nV
0V
V(INOISE)
15nV
10nV
5nV
SEL>>
0V
100Hz
V(ONOISE)
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
300KHz
1.0MHz
3.0MHz
10MHz
30MHz
100MHz
300MHz
1.0GHz
Frequency
Шумовое напряжение менее 1 нВ/ √Гц.
12
Приведенное ко входу шумовое напряжение схемы на ПТ.
30nV
20nV
10nV
0V
V(INOISE)
150nV
100nV
50nV
SEL>>
0V
100Hz
V(ONOISE)
300Hz
1.0KHz
3.0KHz
10KHz
30KHz
100KHz
300KHz
1.0MHz
3.0MHz
10MHz
30MHz
100MHz
300MHz
1.0GHz
Frequency
Шумовое напряжение в области средних частот около 4 нВ/ √Гц – заметно выше, чем у
БТ.
Учитываются шумы типа 1/f (в отличие от БТ).
13