Сравнительный анализ чувствительности транзисторных и ламповых видеоусилителей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Титов В. С., Бобырь М. В., Милостная Н. А. АСУ прогнозированием точности обработки деталей // Автоматизация в промышленности. 2008. № 4. С. 3—4.

4. Пат. 2371295 РФ. Кл. Б23р11/02. Устройство обработки деталей на оборудовании с ЧПУ / В. С. Титов, М. В. Бобырь, Н. А. Милостная // Изобретения. 2009. № 30.

Виталий Семенович Титов

Максим Владимирович Бобырь

Наталья Анатольевна Милостная

Анна Леонидовна Беломестная

Сведения об авторах

д-р техн. наук, профессор; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: titov-kstu@rambler.ru

канд. техн. наук, доцент; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: fregat_mn@rambler.ru

канд. техн. наук; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: nat_mil@mail.ru

аспирант; Курский государственный технический университет, кафедра вычислительной техники; E-mail: sonya84anna@yandex.ru

Рекомендована кафедрой вычислительной техники

Поступила в редакцию 14.04.10 г.

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:

— для электронной лампы: Свх, Спр и Свых — соответственно входная, проходная и выходная паразитные емкости активного элемента; £ — крутизна статической входной характеристики; Яг — внутреннее сопротивление;

— для биполярного транзистора: Свх и Спр — соответственно емкости эмиттерного и коллекторного переходов, включающие барьерные и диффузионные составляющие; £ — крутизна транзистора; г — низкочастотное сопротивление эмиттерного перехода в схеме с общим эмиттером; гБ — сопротивление базы.

Э о

Рис. 2

На рис. 1: е — источник дробовых шумов лампы или, соответственно, тепловых шумов канала полевого транзистора, в том числе и фликкер-шумов; г — источник шумов токов утечки сетки или затвора. Параметры источников шума определяются следующими соотношениями:

_2 Ф ~2

ёе = 4кТгш ё/+/ё/; ёг = 2^. ЭЮ5 ё/,

где к — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; гш — эквивалентное сопротивление шумов; Ф — эмпирическая константа фликкер-шумов (например, для транзистора —14 -2

КП307А Ф<2-10 В ); / — частота; q — заряд электрона; 1ут экв — эквивалентный ток

утечки; для ламп и полевых транзисторов с р—и-переходом этот ток равен сумме всех составляющих тока утечки, а для транзисторов с изолированным затвором

А ут. экв = 2фтgут ,

где фт = кТ^ — температурный потенциал, gут — проводимость тока утечки затвора.

На рис. 2 источники характеризуют: е — дробовые шумы тока коллектора, г — дробовые шумы тока базы, еБ — тепловые шумы сопротивления базы:

ёе2 = 4кТГшё/; ё12 = 2q [/э (1-а)+/Ко ] ё/+Ф/Эё/; ёеБ = 4кТгБё/,

где 1э — постоянная составляющая тока эмиттера; /ко — обратный ток коллекторного перехода; а — статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой; Ф' — константа, составляющая для некоторых транзисторов (3,5.. .18) 10 А [3].

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 1с и выходной емкостью С; Я и ¡Я — сопротивление нагрузки источника сигнала и его тепловые шумы,

— эквивалентная нагрузка каскада.

С

-о-

С

К

-о-

Сп

01

Св.

и

8П

I

I

А

-о-

Я, _ С ^вых

К

-о-

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 (обозначенных индексами „л" и „пт"), усредненный в полосе А/ символически может быть представлен выражением

+,+ек

|1/ Я+7шСЕ}

(1)

¡вх. л,пт =| с {¡Я

А/

/ £ , СЕ = С+С0, С0 - ^вх -пр-Приведенный шум усилителя, выполненного на биполярном транзисторе (индекс „бт"), определяется как

где ю = 2п/, к = 11-уюСпр

С0 = Свх + Сп

¡вх. бт

+1

2 + ГБ

+ек

2 + гБ + 20

21

(2)

Iс у*

А/ у

где 20 = г/(1 + ушС0г), 2 = Я/(1 + ушСЯ).

Коэффициент к в приведенных выражениях практически близок к единице и в дальнейшем не учитывается.

При сравнении активных элементов по шумовым характеристикам выделить какую-либо 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 гш, С0, 1ут экв и Ф.

Дробовые шумы ламп и тепловые шумы канала полевых транзисторов в среднем одного порядка, так как одного порядка величины фш ■ С£ [4]. При этом шумы транзисторов меньше, чем шумы ламп: так, полевые транзисторы (например, КП307, КП302) лучше таких „ма-лошумящих" ламп, как 6С3П, 6С15П, 6Ж11П (в триодном режиме). Следует заметить, что в настоящее время транзисторы КП303, КП307, КП341 являются одними из лучших отечественных полевых транзисторов ( Свх « 5 пФ , Спр « 2 пФ, £ « 5 мА/В, малые фликкер-шумы).

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 составля-

-8 —17 _7 —15

ет 10 ...10 А [5], а сеточный ток ламп — 10 ...10 А [6]. При этом эквивалентный ток утечки, а значит, и шумы полевых транзисторов с р—и-переходом меньше, чем приемно-усилительных, 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 р—и-переходом имеют практически одинаковую ЭДС фликкер-

шумов. Так, спектральная составляющая шумов нувистора 6С51Н на частоте 20 Гц, согласно

1/2

работе [7], составляет примерно 15 нВ/Гц , 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 гБ << I и коэффициент в не зависит от тока эмиттера.

Сравнив шумы обратного тока коллекторного перехода с шумами тока утечки, получим соотношение

Аут = 1к0/^ут. экв ,

где Ат =

бт / 'вх. л пт ; обратный ток коллектора, особенно германиевых транзисторов,

обычно больше токов утечки ламп и полевых транзисторов.

При сравнении активных элементов по уровню фликкер-шумов следует учитывать, что в биполярном транзисторе они сложным образом и по-разному, в зависимости от технологии, зависят от тока эмиттера. Для некоторых транзисторов зависимость мощности фликкер-шумов от тока эмиттера можно аппроксимировать первой степенью [3]. В этом случае при оптимальном токе эмиттера

^3. опт -фГюв С2

1/3 +1/ ю2с! Я2

в 2 (3)

1 - а +Ф'1п (в / /и)

2дА/

соотношение фликкер-шумов активных элементов будет следующим:

-2 'ш. фл. бт Ф1Э. опт Я2

Ал=¿^ТТ Ф 1+®2С! бт я7[21" С / /н)]' и

где индексы „в" и „н" соответствуют верхней и нижней граничным частотам полосы пропускания.

Из выражения (4) нетрудно найти значение критической полосы пропускания усилителя:

,, 1

А/кр =

кр 2пЯС

21п(/в //л)

Ф'13. опт Я2 Ф

-1

Отсюда следует, что при Я > 100 кОм лампы и полевые транзисторы с р—«-переходом по уровню фликкер-шумов лучше биполярных транзисторов в усилителях с полосой пропускания до десятков мегагерц. Уровень фликкер-шумов транзисторов с изолированным затвором при современной технологии изготовления очень велик.

Дробовые шумы биполярного транзистора зависят от режима работы по постоянному току. Приведенный ток дробовых шумов определяется из выражения (2) при оптимальном токе эмиттера (3): без учета фликкер-шумов получим

•2

др

= 2 • 2^/э.опТ (1 - а)А/ . (5)

Используя выражения (1), (2) и (5), можно сравнить дробовые шумы биполярного транзистора с соответствующими шумами лампы и полевого транзистора:

^2 = ^Э. опт (1- а)

др Фггш (( +шв2фз) '

\ /л, пт

2 2

Отсюда при шв С£ >> 3/ Я можно найти значение критической полосы пропускания

усилителя, при которой приведенные токи сравниваемых шумов равны. Пренебрегая влиянием фликкер-шумов, что оказалось допустимым, получаем

А/кр = СЕ бтл/3 (1- а)/2п (гшС2 )д пт . (6)

Чем меньше полоса пропускания усилителя по сравнению с А/кр, тем значительнее биполярный транзистор уступает остальным активным элементам по уровню дробовых шумов.

Как видно из формулы (6), критическая полоса пропускания тем шире, чем меньше емкость источника сигнала и коэффициент передачи биполярного транзистора. Например, сравнение полевого (КП307) и биполярного (ГТ311) транзисторов показывает, что в усилителе для сигнала видикона при С£ ~15 пФ выгоднее применять полевой транзистор, работающий на частотах до 15—20 МГц.

С увеличением емкости источника сигнала, как следует из выражения (6), использование биполярного транзистора предпочтительнее. Так, в диапазоне вещательного телевизионного стандарта шумовые свойства транзисторов КП307 и ГТ311 одинаковы при С£ = 40—60 пФ.

Однако такая большая емкость не характерна для передающих трубок.

Шумы, вызванные сопротивлением базы, ухудшают позиции биполярных транзисторов, особенно в области высоких частот. Эти шумы грубо можно учесть совместно с дробовыми,

увеличив гш на величину гБС2/С2 .

Для учета всех рассмотренных шумов выражения (1) и (2) можно преобразовать в соответствии с принятыми допущениями следующим образом:

'1 ут. экв , 1 , Гш | ШВ2 С| Гш ^ + ^ 1П (( / /н ) | Ш2сГ

*ш.л, пт = А/

2фт Я Я1

2 = ^Лг1 1

2фт Я

<ш.бт = МТА/ \ + - + ( + Гэ. опт )

Я 2 + " V Я "У

V Я2 3 л

где ГЭ. опт =Фг/1Э. опт (см. (3)).

Сложная противошумовая коррекция улучшает отношение сигнал/шум по сравнению с простой на 30—70 %, что практически не меняет соотношения шумовых свойств рассмотренных активных элементов.

Итак, полученные оригинальные соотношения (для критических значений полос пропускания) позволяют сравнить шумовые характеристики активных элементов при выборе наиболее подходящего для видеоусилителя. Показано, что в малошумящих видеоусилителях, используемых в телевизионных датчиках, биполярный транзистор — самый неподходящий активный элемент для первого каскада (по сравнению с лампой и полевым транзистором).

Лампы и полевые транзисторы по шумовым свойствам в среднем одинаковы, но лучшие типы полевых транзисторов превосходят лампы.

В заключение стоит отметить, что исходные шумовые эквивалентные схемы и расчеты с их использованием довольно широко применялись в теоретических и экспериментальных исследованиях, в том числе при разработке малошумящего видеоусилителя для телевизионного канала аппаратуры оптико-электронного комплекса „Окно" [8].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пустынский И. Н., Масленников В. Н. Видеоусилители на полевых транзисторах: Учеб. пособие. Томск: В-Спектр, 2007. 64 с.

2. Масленников В. Н. Представление шумов биполярного транзистора. М., 1973. Деп. в ЦНИИ „Электроника". № 1867/73.

3. Пустынский И. Н. Транзисторные видеоусилители. М.: Сов. радио, 1973. 176 с.

4. Масленников В. Н. Чувствительность камерного видеоусилителя с несколькими активными элементами на входе // Тез. докл. науч.-техн. семинара молодых ученых по приемно-усилительной технике. М.: НТОРЭиС им. А. С. Попова, 1972. С. 30—33.

5. Полевые транзисторы. Физика, технология и применение / Пер. с англ.; Под ред. С. А. Майорова. М.: Сов. радио, 1971. 376 с.

6. Электровакуумные приборы. Приемно-усилительные лампы: Справочник. М., 1967. Т. II—V.

7. Александров В. С., Прянишников В. А. Приборы для измерения малых напряжений и токов. М.: Энергия, 1971. 184 с.

8. Верешкин А. Е. Телевизионная аппаратура оптико-электронного комплекса „Окно" // Вопр. радиоэлектроники. Сер. Техника телевидения. 2006. Вып. 1. С. 93—102.

Сведения об авторе

Виктор Николаевич Масленников — канд. техн. наук, доцент; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, кафедра телевидения и управления; E-mail: vnmas@main.tusur.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

телевидения и управления 14.04.10 г.

УДК 680.5.01:621.384

Д. В. Титов

СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Представлен стенд для испытаний электронных изделий, позволяющий повысить надежность испытаний путем поддержания нормированных характеристик воздуха за счет осуществления контроля его давления на готовые приборы в термокамере.

Ключевые слова: стенд, оптико-электронное устройство, термокамера.

Важнейшей характеристикой оптико-электронных устройств является точность формирования изображения, которая зависит от аберрационных погрешностей оптической системы [1]. Таким образом, качество изображения непосредственно зависит от качества оптико-электронных устройств, что, в свою очередь, связано с проблемами их контроля и испытаний. Качество годных изделий определяется на завершающей стадии контроля климатическими