Mot 5: Støy i bipolare transistorer

Transkript

1 1/34 Mot 5: Støy i bipolae tansistoe Vi ha tidligee unnet Eni, En, og n o en osteke. Vi vil nå gjøe dette o en bipola tansisto. Vi vil se at støyen e både avhengig av opeasjonspunktet (støm og spenning) og tansistoens posess og utleggspaametee.

2 /34 Hybid- modellen Fø vi se på støyen vil vi se på en vanlig modell o bipolae tansistoe. Denne gjelde både o npn og pnp. modellen skille en mellom den ekstene tilkoblingsnoden o basen og den inde, eektive tilkoblingsnoden '. : e den ohmske spedemotstanden i basen : kke-esistiv A-motstand c: Kondensato '-E og c modulee inngangsimpedansen til tansistoen gmv: Stømgeneato som bestemme. 0: Dynamisk utgangsmotstand på µ og µ : Modulee deplesjonssonen mellom og E. gnoees hvis en vil ha en enklee lavekvensmodell.

3 3/34 Noen kjente uttykk: β 0 E g V m V g m Foutsette µ og alle 0 (d.v.s. lavekvent betaktning.) q g m kt Tanskonduktans. N! Småsignal ac-paamete elatet til en dc-støm > egenset gyldighetsomåde e Ω g m Emittemotstand. β 0 β g 0 m e i ohold til noen av de oegående.

4 4/34 g m µ T En sental vedi e gain-bandwidth poduktet. Det uttykkes som T og tilsvae den ekvens hvo ostekningen e -3d (1/). Vi kan egne om videe slik at vi å: g m T ( ) µ he e "beta-cuto-ekvensen". Dette e ekvensen hvo β e 1/ av sin lavekvente vedi β0. he β T β 0 Noen eksempelvedie: 97kΩ 01.6MΩ 78Ω µ15mω gm0.0036s µ4pf β0350 5pF T19.8MHz β56.5khz

5 5/34 Støymodellen o JT gi temisk støy. og gi shot-noise. i gjennom base-emitte deplesjonssonen gi lickestøy.

6 6/34 Vi ha nå ie støykilde o tansistoen. tillegg komme støy i kilden. og 0 e ikke-ohmske acmotstande og geneee ikke temisk støy. µ og µ ha blitt utelatt o å gjøe det enklee D.v.s. vi se på ekvense unde T/ β0. Ove denne gensen bli støykildene noe koelete og vi vil ha mee støy en denne modellen indikee. Temisk støy i : E 4kT Shot-noise p.g.a. og e henholdsvis: og nb q nc q

7 7/34 Flickestøyen kan uttykkes med: K γ α Ote kan en sette ala til en og estatte K med ql hvo L e en hjøneekvens typisk i omådet 3kHz til 7MHz. Vi å da: γ q L Støyspenningen som e et esultat av denne stømmen inne vi ved å multiplisee den med motstanden den vil gå igjennom:. Men ekspeimentelle data vise at den eektive i denne sammenheng e minde. Vi lage deo en ny ' som e ca. /. γ q L ' E

8 8/34 Ekvivalent inngangsstøy. Metode: 1) Støy på utgang ) Fostekning 3) Støy på inngang støy på utgang/ostekning 1) Støy på utgang: Finne øst støy på utgang. Hvis utgangen e kotsluttet til E så å vi: ( ) E g m nc no He e E støyspenning mellom ' og E. nnsatt vedi o E så å vi: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Z Z Z Z E E g s s nb s s m nc no ) Fostekning: Z Z V g V g s s m m O Z Z g V K s m s o t

9 9/34 3) Støy på inngang ( )( ) ( ) Z g Z E E K E m s nc s nb s t no ni Sette vi inn o støyspenninge og støystømme så å vi med 1: ( ) ( ) ( ) ( ) ' 4 γ Z g Z q q q kt E m S s L S s ni Ved lave ekvense kan det siste leddet skives som: ( ) 0 β q S og ved høyee ekvense opp mot T/ β0.som ( ) 1 T S m S q g q ω ω Oppdelt i en lavekvent komponent og en høyekvent å vi: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 ' 4 T S S L S S s ni q q q q kt E γ β

10 10/34 En og n o bipolae tansistoe En: Vi inne En ved å sette s0 i uttykket o støyen på inngangen. T L n q q q q kt E 0 ' 4 γ β Siden β0e og ² << β0e² så kan vi sette ' 4 T L e n q q q kt E γ n: Vi inne n ved å la s bli høy. Vi dele alle ledd med s² og la s gå mot. T L o n q q q q γ β Siden /β0²<< så vil øste leddet dominee ove ande leddet og ande leddet kan demed jenes. Vi å da: T L n q q q γ

11 11/34 E t Eksempel: Finn Eni² o en N450 hvo 1mA, S10kΩ, 10Hz, 1kHz Støy i kildemotstand kan egnes ut: 4kT S Ws / K 300K Fo videe utegning buke vi: E E E ni ( ) t n n S 10kΩ Ut a opplysningene i boka ha vi to måte vi kan inne En og n: Ut a avlesning av igue elle ved hjelp av utegning. 1) Avlesning av igu: igu 5-9 avlese vi En til ca nv/ Hz og n til ca 1pA/ Hz. nnsatt i ligningen ove å vi da at Eni e ca 51.4nV. [ ( 10 ) ( 10 ) ( 10 ) ]( 10) E ni E ni E ni [ ]( 10) V E ni 51. 4nV 16 WsΩ

12 1/34 ) Utegning tillegg til de oppgitte vedie, vedie i tabell 5-1 og kjente konstante, må e og egnes ut. Disse kan innes ved hjelp av omlene og de øvige vedie. E n γ 4 q L ' kt q e q T,48 10^-18,14 10^-19 1,39 10^-1 1,15 10^-7,70 10^-18 n γ q L q q T 8,59 10^-53,30 10^-55,11 10^-3 1,19 10^-4 E ni ( E E ) t n n S (1,65 10^-16,70 10^-181,19 10^-16 (10 10^3)^) 10,867 10^-15V² E ni 5. 8nV

13 13/34 Mellombåndstøyen (minimumsstøyen) Som vi se av uttykkene e En og n ekvensavhengige. Ved lave ekvense vil 1/støyen væe vesentlig mens ved høye ekvense vil vi å et eksta ekvensavhengig ledd o shotnoise i kollekto. Vi kan snakke om et mellomomåde hvo støyen ikke e stekt ekvensavhengig og hvo ande bidag enn de ekvensavhengige e domineende. Dette mellomomådet angi på en måte minimumsstøyen vi kan oppnå. Hvis vi jene de ekvensavhengige leddene i utykkene o En og n så å vi: og E n n q 4kT q e Nå S e liten vil En dominee og det vil væe ønskelig med en liten basemotstand. Nå S e sto vil n²s²-leddet lett kunne dominee. Det vil da væe viktig å ha en liten. Fo å kunne å til det bø væe liten og β sto.

14 14/34 (Noise cuent på Y-aksen i nedeste igu.)

15 15/34 Minimaliseing av støyaktoen. Vi ant tidligee ølgende uttykk o optimal støyakto: En n Fopt 1 kt (Denne kan bae oppnås nå en kan velge S itt slik at SOEn/n.) Vi sette inn de ekvensuavhengige uttykkene vi ant o En og n og å: F opt 1 β 0 e 1 β 0 Fo å oppnå lav støy må: edusees β0 økes edusees (e 1/) Nomalt vil man oppnå lavest støy nå kollektostømmen e minde en 100µA. Hvis kollektostømmen e svæt liten vil vi sitte igjen med: F opt 1 1 β 0

16 16/34 Optimal S: Optimalbetingelsen ove outsette at S0En/n. Vi sette inn uttykkene o En og n og å: β 0 ( 0.05) Vi se da at eduset keve støe S!! Nå base motstanden kan neglisjees så ha vi: 0.05 β 0 0 β 0

17 17/34 Fekvensomåde dominet av 1/-støy (d.v.s. lave ekvense) Ved lave ekvense vil licke (1/)-støyen dominee. Vi gå tilbake til våe oppinnelige uttykk o En og n og beholde bae lickestøyen. Vi å da: E q γ L ' n α og γ q L n α Disse e like med unntak av motstanden '². Optimal S vil i dette tilelle væe: E S 0 n n ' Vi se at S he e uavhengig av alle ande vedie enn '². dette ekvensomådet ha vi: F opt 1 q L kt ' γ α

18 18/34 Hvodan oppnå lav støy i dette omådet? Liten ' Liten (og demed liten ). Dette gi gode ohold også i mellomekvensomådet vi diskutete tidligee. Med det sike ikke gode høyekvensegenskape.

19 19/34 Opeasjonsbetingelse og støy Ekvivalent inngangsstøy uttykkes ved: E E E ni t n n S igu 5-4 så vi at En avtok med voksende mens n vokse med voksende. Ut a dette kan en ovente at støyen vil væe sto o lav og høy og ha et minimum i midten. (Temisk støy i kilden (Et) vil selvølgelig ikke væe påviket av.) Siden bidaget a n skalees med S vil minimumsvedien lytte seg. Siden n vokse med voksende så bety det at med voksende S så vil minimumspunktet bevege seg mot lavee. Dette kan ses i iguen unde hvo hoisontal akse e støm mens kuvene o noen utvalgte motstande e skisset.

20 0/34 kuven unde bytte vi om og la hoisontal akse væe motstand mens kuvene o noen utvalgte stømme e skisset. Konklusjon: Fo en gitt S innes det et støyminimum. Fo en gitt innes det et støyminimum. Optimal S avta med økende.

21 1/34 Figuen ove vise en altenativ måte å pesentee kuvene. De seks bildene e seks oskjellige ekvense. Gitt en ekvens så bø en inne en kombinasjon av S og som gi støst 1domåde undt punktet o den valgte S og.

22 /34 Ote vil det væe nyttig å vudee støy som unksjon av ekvens. Fo lave ekvense øke støyen (med eduksjon i ekvens) som 1/ mens o høye ekvense e den poposjonal med. mellomomådet e det latt og kuvene ha sitt minimum som omtalt tidligee.

23 3/34 Popcon støy Obsevet i: tunnel diode, diode ovegange, ilm motstande, tansistoe og integete ketse. Spektaltettheten til eekten av denne støyen e 1 α hvo α e mellom 1 og.

24 4/34 Fo en vanlig pn-ovegang så e pulsene maks noen titals mikoampee og med en lengde på noen mikosekunde. Anta at popconstøyens stømgeneato kan uttykkes slik: K' bb hvo K e en dimensjoneings konstant med Ampee som benevning. Et me nøyaktig uttykk e: bb K 1 4a hvo K e en konstant med Ampee p Hetz som benevning og konstanten a epesentee antallet av busts p. sekund.

25 5/34 Oppdeling av asemotstanden kan deles i to dele: a kontakt (metall) til næmeste base-emitte ovegang og eektiv motstand o distibusjon av base støm langs base-emitte ovegangen. Den øste navnsettes til i mens den ande navnsettes til a. 1/ støy som ha sammenheng med kystallovelaten skal bae elatees til i mens 1/ støy som ha sammenheng med den aktive base egionen skal elatees til hele. Popcon støy vise seg også å væe elatet bae til i.

26 6/34 En ny støymodell hvo e delt opp e vist ove. He ha vi ått to 1/-støykilde 1 og samt en popcon støykilde bb. Shot: nb q Shot: nc q Themal: E 4kT ust: K 1/: 1/: bb 1 1 4a K K (Disse gjelde o 1Hz båndbedde.) 1 γ 1 γ

27 7/34 Måling av popcon støy. Popcon støy e øst og emst et poblem o lave ekvense i audioomådet. Skjemaet unde vise en måte å måle denne støyen. Teskelspenningen V må velges slik at temisk støy ikke tigge denne. Dette bety også at de laveste vediene av popcon-støyen ikke bli målt.

28 8/34

29 9/34 Flickestøy og pålitelighet Det vise seg at støelsen av lickestøyen i en komponent gi en god indikasjon på komponentens tilstand. to like komponente vil en kunne anta at den med støst licke støy e minst pålitelig og ha kotest levetid. Måling av lickestøy og målingen av utviklingen vil demed kunne si noe om et systems tilstand.

30 30/34 evesspenning og støy. Hvis evesspenningen ove base-emitte passee sammenbuddspenningen så vil tansistoens kaakteistikk endes. β0 vil avta noe mens 1/støyen vil øke damatisk. Endingen vil væe avhengig av støelsen på evesstømmen og hvo lenge den e de Ved å legge på en sto ospenning så vil skaden delvis bli ettet opp slik det e vist ove. (1E4s t 46m 40s, 1E5s 7t 46m 40s)

31 31/34 Eksempel på utilsiktet oveskidelse av evesospenning #1. Hvis punktet A kotsluttes tilsiktet elle utilsiktet mot powe elle powe av osteke slås av kan ladningen ove medøe at inngangstansistoene til ostekeen å o sto evesospenning. Ved å koble opp diodene som vist så vil en sike seg mot at spenningen bli o høy og ostekeen skades.

32 3/34 Eksempel på utilsiktet oveskidelse av evesospenning #. Fø V e tilkoblet e spenningen ove og 3 null volt. Det vil den også væe umiddelbat ette at V e tilkoblet spenningsosyning. Vi kan da anse 4 og 6 o å væe kotsluttet. Q1 og Q3 vil lede sto støm og Q s base vil ha lav spenning mens Q s emitte vil ha høy spenning. Q vil demed kunne ha en evesospenning støe en sammenbuddspenningen og å endet egenskape i negativ etning.

33 33/34 Det kan motvikes på lee måte. Felles o metodene e at de beskytte Q ved spenningstilkobling og deette gi vanlig unksjon. 3 kobles mot jod istedeno mot V. Ved spenningstilkobling vil nå stømmen gå gjennom 6 og ikke gjennom Q3. Q3 vil demed ikke tekke så sto støm og Q s emitte vil obli lav. Dioden D1 vil søge o at evesospenningen ove Q s base-emitte ikke bli o sto. Ved nomal opeasjon vil dioden ha tilnæmet ingen vikning.

34 34/34 Hvis Q kan væe en pnp isteden o en npn så å en denne løsningen og Q vil ikke kunne bli evesospent.