Microcircuitos amplificadores de baixo ruído. Microfones altamente sensíveis com amplificadores de graves de baixo ruído

Olá a todos.

Ao montar amplificadores de microfone de baixo ruído e alta qualidade, os rádios amadores geralmente usam soluções de circuito baseadas em transistores bipolares discretos ou de efeito de campo, ou amplificadores operacionais de baixo ruído. Amplificadores de alta qualidade para microfones usando transistores são muitas vezes bastante complexos e não garantem repetibilidade estável de parâmetros, e para montar um amplificador usando amplificadores operacionais de baixo ruído, você pode não ter os microcircuitos necessários em mãos ou seus preços serão mais do que aceitável.

Um amplificador de microfone estéreo de alta qualidade pode ser feito não apenas usando transistores especiais de baixo ruído (Fig. 1, 2), amplificadores operacionais integrados (amplificadores operacionais) ou CIs especializados, mas também usando algo que os rádios amadores costumam ter em abundância, mas poucas pessoas pensam no potencial de alguns microcircuitos “incomuns”. Isso se refere a circuitos integrados - amplificadores especializados de reprodução de baixo ruído para gravadores de fita cassete e bobina a bobina de gravação de som analógico. A gravação magnética doméstica de som está rapidamente se tornando uma coisa do passado; muitos rádios e rádios automotivos importados já cumpriram sua pena e, quando são desmontados para obter peças de reposição, os chips amplificadores de reprodução integrados geralmente permanecem desnecessários.

Baseado em um desses chips LA3161

você pode criar um amplificador de microfone estéreo simples e de alimentação única que não requer configuração em apenas duas horas. O diagrama esquemático deste amplificador é apresentado abaixo.

Este dispositivo é um amplificador estéreo de baixo ruído que possui um ganho de tensão de aproximadamente 100. A tensão nominal de alimentação para este amplificador é de 9 Volts, a corrente quiescente é de aproximadamente 6 mA, a tensão nominal de entrada é 5 mV e a tensão nominal de saída é 500 mV com distorção THD de 0,05%. A resistência de saída é de aproximadamente 100 kOhm. O microcircuito pode operar com alimentação de 2,5 - 16 Volts. Mas com uma fonte de alimentação inferior a 7 Volts, suas principais características se deterioram.

O microcircuito é alimentado por uma fonte de tensão estável que passa por um filtro LC C1L1C2C3. Num caso particular, uma bateria galvânica “Krona” ou equivalente pode ser usada como fonte de energia.

O coeficiente de transmissão do amplificador depende da relação da resistência dos resistores R5/R3 e R6/R4. Se houver necessidade de um grande ganho de tensão, a resistência dos resistores R3 e R4 pode ser reduzida em 10 a 20 vezes. Você pode usar microfones dinâmicos e condensadores como microfones VM1 e VM2. Se não houver seguidor de fonte em um condensador ou microfone de eletreto, você pode introduzi-lo no amplificador, por exemplo, instalando um microcircuito K513UE1 em cada canal. Os capacitores C4 e C5 evitam que diversas interferências de rádio entrem na entrada. Os resistores R9 e R10 eliminam o possível aparecimento de “clique” quando um amplificador de microfone é conectado a equipamentos de reprodução de som, e também são necessários para a correta polarização das placas dos capacitores de óxido C10 e C11. O diagrama funcional do chip LA3161 é mostrado na figura abaixo. Se você usar apenas um dos dois amplificadores do microcircuito, a entrada não inversora correspondente (pino 1 ou 8) deverá ser conectada a um fio comum.

Você pode montar o amplificador em uma placa de 70×27 mm (ver foto). É necessário deixar algum espaço no lado esquerdo da placa para acomodar quaisquer componentes adicionais que possam ser necessários para combinar alguns microfones dinâmicos com a entrada do amplificador.

Os resistores podem ser usados como MLT, S2-23 ou seus análogos. É melhor levar em consideração que quanto maior a potência dos resistores do mesmo tipo, menor será o seu próprio nível de ruído. Se o ganho for superior a 500, é melhor instalar resistores R1 - R6 com potência de 0,5 - 1 Watt. Capacitores não polares - filme importado de pequeno porte ou cerâmica. Os capacitores de óxido C6, C7 devem ter a menor corrente de fuga. Se você não conseguir encontrar capacitores de alta qualidade entre os de alumínio comuns, poderá usar capacitores de cerâmica ou filme com capacidade de 4,7 μF. O choke L1 pode ser qualquer um de tamanho pequeno e de baixa potência com uma indutância superior a 100 μH. Se a tensão de alimentação for de 12 Volts ou mais, seria melhor conectar um resistor de 1 kOhm em série com ela. Você pode substituir o chip LA3161 pelo LA3160.

Esses dois microcircuitos são produzidos pela Sanyo no pacote SIP-8, possuem as mesmas pinagens e parâmetros semelhantes. Microcircuitos de amplificadores de baixo ruído para reprodução de gravações de som magnético com circuitos de correção desabilitados podem ser usados não apenas como amplificadores de microfone, mas também em. unidades de amplificadores de normalização preliminar, controles passivos de tom e volume ou como amplificadores de sinal de sensores piezoelétricos e pirodetectores.

Tudo de bom.

Existem muitos amplificadores para os quais um dos principais parâmetros exigidos é garantir o mínimo de ruído na saída. Normalmente, tais circuitos são utilizados para amplificar sinais de diversos sensores, bem como em receptores de conversão direta, onde a amplificação principal é realizada em baixas frequências. Um aumento no ruído torna impossível distinguir sinais fracos contra um fundo de ruído.

O ruído interno em um amplificador ocorre quando a corrente passa pelos elementos passivos e ativos do circuito.
As características do ruído também dependem em grande parte do projeto do circuito (circuitos). Ao desenvolver um amplificador com alta relação sinal-ruído, além da escolha ideal do tipo de circuito, é importante selecionar corretamente a base do elemento e otimizar o modo de operação das cascatas.

Selecionando Componentes do Circuito

Num amplificador real, a fonte de ruído interno é:
1) ruído térmico e atual dos resistores;
2) ruído de oscilação de capacitores, diodos e diodos zener;
3) ruído de flutuação de elementos ativos (transistores);
4) vibração e ruído de contato.

Resistores

O ruído intrínseco dos resistores consiste em ruído térmico e de corrente.

O ruído térmico é causado pelo movimento dos elétrons na substância condutora da qual o resistor é feito (esse ruído aumenta com o aumento da temperatura). Se não houver tensão atuando no resistor, então a fem do ruído através dele (em µV) é determinada a partir da relação:

Esh = 0,0125 x f x R,
onde f é a banda de frequência em kHz; R - resistência em kOhm.

O ruído de corrente ocorre quando a corrente flui através de um resistor. Neste caso, a tensão sonora surge devido ao efeito da flutuação das resistências de contato entre as partículas condutoras do material. Seu valor depende linearmente da tensão aplicada. Portanto, as propriedades de ruído dos resistores são caracterizadas pelo nível de ruído, que é a razão entre o valor efetivo da componente alternada da tensão de ruído Em (μV) e a tensão aplicada U (V): Em/U.

O espectro de frequência de ambos os tipos de ruído é contínuo (“ruído branco”). E se para o ruído térmico ele for distribuído uniformemente até frequências muito altas, então para o ruído atual ele começa a diminuir de cerca de 10 MHz.

A quantidade total de ruído é proporcional à raiz quadrada da resistência, portanto, para reduzi-la, a quantidade de resistência no circuito também deve ser reduzida.
Às vezes, para diminuir o ruído causado pelos resistores, recorrem à sua conexão paralela (ou em série), e também instalam mais potência do que a necessária para o funcionamento. Além disso, você pode utilizar aqueles tipos em que, devido à tecnologia de fabricação, esse parâmetro é menor.

Em resistores sem fio, o ruído atual é muito maior que o ruído térmico. O nível geral de ruído para diferentes tipos de resistores pode variar de 0,1 a 100 µV/V.

Para comparar diferentes resistores (fixos e trimmers do grupo SP), os valores máximos de ruído são dados na Tabela 1

Tipo de resistores Desenho tecnológico Nível de ruído, μV/V BLT carbono marrom 0,5 S2-13 S2-29V metal-dielétrico 1,0 S2-50 metal-dielétrico 1,5 MLT OMLT S2-23S2-33 metal-dielétrico 1...5 S2-26 óxido metálico 0,5 SP3-4
SP3-19
Filme composto SP3-23 47...100
25...47
25...47
Tabela 1 - Propriedades de ruído dos resistores

Como pode ser visto na tabela, os resistores ajustados são muito mais barulhentos. Por este motivo, é melhor utilizá-los com denominações pequenas ou excluí-los totalmente do circuito.
As propriedades de ruído dos resistores podem ser usadas para criar um gerador de ruído de banda larga.

Como recomendações para a escolha de resistores para montagem de um amplificador de baixo ruído, pode-se notar que é mais conveniente utilizar os seguintes tipos: C2-26, C2-29V, C2-33 e C1-4 (design de chip não embalado). Recentemente, surgiram à venda resistores dielétricos de metal importados de baixo ruído, semelhantes em design ao C2-23, mas com um valor de ruído menor (0,2 µV/V).

É possível reduzir significativamente o ruído dos resistores resfriando-os fortemente, mas esse método é muito caro e raramente usado.

Capacitores

Nos capacitores, a fonte do ruído de cintilação é a corrente de fuga. Capacitores de óxido de alta capacidade possuem as correntes de fuga mais altas. Além disso, o vazamento aumenta com o aumento da capacitância e diminui com o aumento da tensão operacional nominal permitida.

Os dados de referência para os capacitores de óxido mais comuns são fornecidos na Tabela 29.
As correntes de fuga mais baixas entre os capacitores polares são: K53-1A, K53-18, K53-16, K52-18, K53-4 e outros.
Capacitores de óxido instalados na entrada como capacitores de isolamento podem aumentar significativamente o ruído do amplificador. Portanto, é aconselhável evitar seu uso, substituindo-os por filmes (K10-17, K73-9, K73-17, KM-6, etc.), embora isso leve a um aumento significativo no tamanho da estrutura .

Tipo de capacitor Tecnologia de fabricação Temperatura operacional, C Corrente de fuga, µA K50-6
K50-16
K50-24
óxido de alumínio-eletrolítico -10...+85
-20...+70
-25...+70 4...5000
4...5000
18...3200 K52-1
K52-2
K52-18 óxido de tântalo poroso volumétrico -60...+85
-50...+155
-60...+155 1,2...8,5
2...30
1...30 K53-1
K53-1A
Semicondutor de óxido de tântalo K53-18 -80...+85
-60...+125
-60...+125 2...5
1...8
1...63
Tabela 2 - Parâmetros de referência dos capacitores

Diodos e diodos Zener

Quando a corrente passa diretamente, o ruído dos diodos é mínimo. O maior ruído é proporcionado pela corrente de fuga (sob a ação da tensão reversa), e quanto menor for, melhor. Os diodos Zener têm muito ruído. Esta propriedade às vezes é até usada para fazer os geradores de ruído mais simples para brinquedos infantis (simuladores de ruído de surf, sons de incêndio, etc. - L16, L17). Para obter o máximo ruído em tais circuitos, os diodos zener operam em baixas correntes (com um grande resistor adicional).

Transistores

No próprio transistor, os principais tipos de ruído são térmicos e de recombinação de geração, cuja densidade de potência espectral independe da frequência.

Para reduzir o nível de ruído, transistores bipolares de baixo ruído com valor de ruído padronizado (Ksh) são normalmente usados em estágios de entrada em nosso país. São eles: (p-n-p) KT3102D(E), KT342V e (p-n-p) KT3107E(Zh, L) e vários outros. Deve-se notar aqui o uso de transistores bipolares de alta frequência e baixo ruído na faixa de baixa frequência. , via de regra, pode ser inadequado. Para tais transistores, o valor do ruído é classificado apenas na faixa de alta frequência e, na faixa abaixo de 100 kHz, eles não podem produzir menos ruído do que qualquer outro. Além disso, tais transistores podem apresentar tendência à excitação (autogeração).

Se for necessário obter uma alta resistência de entrada no estágio de entrada do amplificador, o transistor de efeito de campo KP303V(A) é frequentemente utilizado. É fabricado com porta baseada em junção pn (canal tipo n) e possui figura de ruído normalizada.

Ruído de contato

ocorrem devido a soldagem de má qualidade (com violação do regime de temperatura) ou na junção dos conectores. Por esta razão, não é recomendado conectar os circuitos de entrada do amplificador de baixo ruído através de conexões de encaixe. Também encontrei uma situação em que os transistores faziam mais ruído no mesmo circuito após a solda novamente.

Ruídos de vibração

pode ocorrer ao operar o dispositivo em objetos em movimento ou em locais com maior vibração do equipamento em operação. Eles surgem devido à transferência de vibrações mecânicas para as placas do capacitor, entre as quais existe uma diferença de potencial (o chamado “efeito piezomicrofone”). Isto é observado mesmo em capacitores cerâmicos de pequeno porte (K10, K15, etc.) com alta capacidade (mais de 0,01 μF). Esta interferência pode ser especialmente pronunciada em capacitores de acoplamento instalados na entrada do amplificador. O sinal de interferência das vibrações mecânicas assume a forma de pulsos curtos e agudos, cujo espectro está na faixa de baixa frequência. Para combater esse tipo de interferência, pode-se utilizar a depreciação de toda a estrutura. Esta interferência não ocorre em capacitores de óxido.

Ao selecionar peças para montagem de um circuito de baixo ruído, é necessário levar em consideração o tempo de produção. O fabricante garante os parâmetros apenas durante um determinado período de armazenamento. Geralmente não passa de 8 a 15 anos. Com o tempo, ocorrem processos de envelhecimento, manifestados na diminuição da resistência de isolamento, a capacitância dos capacitores diminui e as correntes de fuga aumentam. Os capacitores de óxido mudam especialmente suas características com o tempo. Por esta razão, é melhor evitar a sua utilização em caminhos de sinal, se possível.

Moshe Gerstenhaber, Rayal Johnson e Scott Hunt, Dispositivos Analógicos

Diálogo Analógico

Introdução

Criar um sistema de medição com sensibilidade na faixa de nanovolts é uma tarefa de engenharia muito difícil. Os melhores amplificadores operacionais (amplificadores operacionais) disponíveis, como ruído ultrabaixo, a 1 kHz podem atingir tensões de ruído inferiores a 1 nV/√Hz, mas de 0,1 Hz a 10 Hz a natureza do ruído de baixa frequência limita os melhores valores alcançáveis para pico de 50 nV. A sobreamostragem e a média da amostra podem reduzir a contribuição RMS do ruído de espectro plano ao custo de taxas de dados mais altas e consumo adicional de energia, mas a sobreamostragem não reduzirá a densidade espectral do ruído e não terá efeito no ruído de cintilação (1/f) . Além disso, o alto ganho do circuito de pré-processamento do sinal de entrada, necessário para eliminar a contribuição de ruído dos estágios subsequentes, reduz a largura de banda do sistema. Sem isolamento, qualquer ruído no barramento de terra aparecerá na saída, onde poderá cancelar tanto o ruído interno fraco do amplificador quanto seu sinal de entrada. Um bom amplificador de instrumentação de baixo ruído simplifica o projeto e a construção de tais sistemas e reduz erros residuais causados por tensão de modo comum, flutuações na fonte de alimentação e desvio de temperatura.

O amplificador de instrumentação de baixo ruído fornece ganho de precisão de 2.000 e tem tudo que você precisa para resolver esses problemas. Com um desvio de temperatura de ganho não superior a 5 ppm/°C, um desvio máximo de tensão de deslocamento de 0,3 µV/°C, uma taxa mínima de rejeição de tensão de modo comum de 140 dB a 60 Hz (não mais que 120 dB a 50 kHz ), uma taxa de rejeição de ondulação da fonte de alimentação de 130 dB e largura de banda de 3,5 MHz, o AD8428 é ideal para sistemas de medição de baixo custo. Mas o mais importante é que a densidade espectral de tensão de ruído próprio do amplificador de apenas 1,3 nV/√Hz a 1 kHz e o ruído pico a pico de 40 nV líder do setor de 0,1 a 10 Hz fornecem uma alta relação sinal-ruído para aplicações muito sinais fracos. Dois pinos adicionais (+FIL, -FIL) oferecem aos projetistas a capacidade de estreitar a largura de banda do ruído alterando o ganho ou adicionando um filtro. Além disso, esses pinos de filtro fornecem um meio exclusivo de melhorar a relação sinal-ruído.

Usando o amplificador de instrumentação AD8428 para reduzir ruído

A Figura 1 mostra uma configuração de circuito que pode reduzir ainda mais o ruído. A conexão paralela das entradas do amplificador e saídas de filtro de quatro chips AD8428 reduz o ruído pela metade.

A impedância de saída do circuito será baixa, independentemente de qual amplificador de instrumentação o sinal for obtido. Este circuito pode ser estendido para reduzir o ruído pela raiz quadrada dos amplificadores.

Como o circuito reduz o ruído

A tensão de ruído referenciada por entrada típica de 1,3 nV/√Hz gerada por cada amplificador AD8428 não está correlacionada com o ruído gerado pelos outros amplificadores. O ruído de fontes não correlacionadas é adicionado nos terminais do filtro como a raiz da soma dos quadrados. Ao mesmo tempo, o sinal de entrada tem uma correlação positiva. As tensões que aparecem nos pinos do filtro de cada chip devido ao sinal de entrada são as mesmas, portanto conectar vários AD8428s em paralelo não altera a tensão nesses pontos, e o ganho permanece igual a 2.000.

Análise de Ruído

A análise a seguir do circuito simplificado na Figura 2 mostra que dois amplificadores AD8428 conectados desta forma reduzem o ruído por um fator de √2. O ruído de cada amplificador pode ser modelado pela tensão em sua entrada +IN. Para determinar o ruído total, aterre as entradas e use um método de superposição para combinar as fontes de ruído.

O ruído da fonte e n1 chega à saída do pré-amplificador do chip A1, amplificado diferencialmente em 200 vezes. Para esta parte da análise, consideramos as saídas do pré-amplificador do chip A2 livres de ruído e suas entradas aterradas. O divisor resistivo de 6 kΩ/6 kΩ entre cada saída do pré-amplificador do IC A1 e a saída do pré-amplificador correspondente do IC A2 pode ser substituído por seu equivalente Thevenin: metade da tensão de ruído do pré-amplificador A1 com uma resistência em série de 3 kΩ. Esta divisão é o mecanismo que reduz o ruído. Uma análise completa pelo método do potencial nodal mostra que o ruído e n1 é amplificado na saída para um nível de 1000 × e n1 . Com base na simetria do circuito, é natural concluir que a contribuição de e n2 será igual a 1000 × e n2 . Níveis en iguais e iguais e n1 e e n2 são adicionados como a soma da raiz dos quadrados, resultando em uma produção de ruído total de 1414 × e n .

Para trazê-lo de volta à entrada, é necessário determinar a magnitude do ganho. Vamos supor que um sinal diferencial V IN seja aplicado entre os pinos +INPUT e -INPUT. A tensão diferencial na saída do primeiro estágio A1 será igual a V IN × 200. As mesmas tensões também aparecem nas saídas do pré-amplificador do chip A2, portanto o divisor 6 kOhm/6 kOhm não afeta o sinal de qualquer forma, e a análise pelo método do potencial do nó mostra que a tensão de saída é igual a V IN × 2000. Assim, a tensão total do ruído referente à entrada é igual a e n × 1414/2000, ou, que é o mesmo, e n /√2. Substituindo aqui o valor típico de densidade de ruído AD8428 de 1,3 nV/√Hz, descobrimos que a configuração de dois amplificadores fornece uma densidade de ruído de cerca de 0,92 nV/√Hz.

À medida que os amplificadores são adicionados, a impedância da saída do filtro muda, o que também reduz o nível de ruído. Por exemplo, ao usar quatro AD8428s na configuração mostrada na Figura 1, três resistores de 6 kΩ são conectados entre o pino do filtro e cada uma das saídas sem ruído do pré-amplificador. Isso forma efetivamente um divisor resistivo de 6k/2k, atenuando a tensão do ruído por um fator de quatro. Então o ruído total dos quatro amplificadores, como previsto, torna-se igual a e n /2.

Trade-off entre ruído e potência

Do ponto de vista de ruído em potência, o AD8428 é muito eficiente. Com uma densidade de ruído de entrada de 1,3 nV/√Hz, seu consumo de corrente não excede 6,8 mA. Para efeito de comparação, o amplificador operacional de baixo ruído AD797 requer uma corrente máxima de 10,5 mA para atingir 0,9 nV/√Hz. Um amplificador de instrumentação discreto com dois amplificadores operacionais AD797 e um amplificador diferencial de baixa potência com ganho de 2.000 pode exigir mais de 21 mA para produzir uma tensão de ruído de entrada de 1,45 nV/√Hz, que será consumida principalmente por dois amplificadores operacionais e um resistor de 30,15 ohms Além da corrente total consumida por um grupo de amplificadores conectados em paralelo, o projetista também deve levar em consideração suas condições térmicas. A energia dissipada em um único chassi AD8428 quando alimentado a ±5V aumenta sua temperatura em aproximadamente 8°C. Se vários dispositivos estiverem dispostos em um grupo compacto na placa ou localizados em um espaço confinado do gabinete, eles poderão aquecer uns aos outros, o que exigirá que os aspectos térmicos sejam levados em consideração no projeto do circuito.

Modelagem SPICE

A modelagem SPICE, embora não pretenda substituir a prototipagem, pode ser útil como um primeiro passo para testar a própria ideia. Para testar e simular o funcionamento de um circuito composto por dois dispositivos conectados em paralelo, foi utilizado o simulador ADIsimPE com o modelo macro AD8428 SPICE. Os resultados mostrados na Figura 3 demonstram o comportamento esperado do circuito: ganho de 2.000 e ruído reduzido em 30%.

Resultados de medição

O design completo do AD8428 de quatro chips foi testado em laboratório. O ruído referido à entrada medido tinha uma densidade espectral de 0,7 nV/√Hz a 1 kHz e um nível de 25 nV pico a pico de 0,1 Hz a 10 Hz. Isto é menos ruído do que muitos nanovoltímetros. Os resultados das medições de densidade espectral e tensão de ruído de pico são apresentados nas Figuras 4 e 5, respectivamente.

Conclusão

Criar dispositivos com sensibilidade em nível de nanovolts é uma tarefa muito difícil, criando muitos desafios de design. O amplificador de instrumentação AD8428 possui todos os recursos necessários para implementar sistemas de alta qualidade que requerem baixo ruído e alto ganho. Além disso, sua estrutura única permite que os projetistas adicionem esse circuito incomum ao seu arsenal de soluções de nanovolts.

Ligações

Tutorial MT-047. Ruído do amplificador operacional.
Tutorial MT-048. Relações de ruído do amplificador operacional: ruído 1/f, ruído RMS e largura de banda de ruído equivalente.
Tutorial MT-049. Cálculos de ruído de saída total do Amp Op para sistema unipolar.
Tutorial MT-050. Cálculos de ruído de saída total do amplificador operacional para sistema de segunda ordem.
Tutorial MT-065. Ruído no amplificador.

São considerados os circuitos e designs de microfones altamente sensíveis em combinação com amplificadores caseiros de baixo ruído e baixa frequência (LNF).

O design de um amplificador sensível e de baixo ruído (ULA) possui características próprias. A maior influência na qualidade da reprodução do som e na inteligibilidade da fala é exercida pela resposta amplitude-frequência (AFC) do amplificador, seu nível de ruído, parâmetros do microfone (AFC, padrão polar, sensibilidade, etc.) ou sensores que o substituem, como bem como sua consistência mútua com o amplificador. O amplificador deve ter ganho suficiente.

Ao usar um microfone, é 60db-80db, ou seja, 1000-10000 vezes. Levando em consideração as peculiaridades de recepção de um sinal útil e seu baixo valor em condições de nível de interferência relativamente significativo, que sempre existe, é aconselhável prever no projeto do amplificador a possibilidade de correção da resposta em frequência, ou seja, seleção de frequência do sinal processado.

Deve-se levar em consideração que a parte mais informativa da faixa de áudio está concentrada na faixa de 300 Hz a 3-3,5 kHz. É verdade que às vezes, para reduzir a interferência, essa banda é reduzida ainda mais. O uso de um filtro passa-banda como parte de um amplificador pode aumentar significativamente o alcance de audição (2 vezes ou mais).

Um alcance ainda maior pode ser alcançado usando filtros seletivos de alto Q no ULF, que possibilitam isolar ou suprimir um sinal em determinadas frequências. Isso torna possível aumentar significativamente a relação sinal-ruído.

Base elementar

A base de elementos moderna permite criar ULF de alta qualidade baseado em amplificadores operacionais de baixo ruído(OU), por exemplo, K548UN1, K548UN2, K548UNZ, KR140UD12, KR140UD20, etc.

No entanto, apesar da ampla gama de microcircuitos e amplificadores operacionais especializados, e de seus altos parâmetros, ULF em transistores não perderam seu significado atualmente. A utilização de transistores modernos e de baixo ruído, principalmente no primeiro estágio, permite criar amplificadores com parâmetros e complexidade ideais: baixo ruído, compactos, econômicos, projetados para alimentação de baixa tensão. Portanto, os ULFs de transistor muitas vezes acabam sendo uma boa alternativa aos amplificadores de circuitos integrados.

Para minimizar o nível de ruído nos amplificadores, principalmente nos primeiros estágios, é aconselhável utilizar elementos de alta qualidade. Tais elementos incluem transistores bipolares de baixo ruído e alto ganho, por exemplo, KT3102, KT3107. No entanto, dependendo da finalidade do ULF, também são utilizados transistores de efeito de campo.

Os parâmetros de outros elementos também são de grande importância. Em cascatas de circuitos eletrônicos de baixo ruído, são usados capacitores de óxido K53-1, K53-14, K50-35, etc., não polares - KM6, MBM, etc., resistores - não piores que os tradicionais 5% MLT- 0,25 e ML T-0,125, o melhor tipo de resistores são os resistores não indutivos e enrolados.

A resistência de entrada do ULF deve corresponder à resistência da fonte do sinal - um microfone ou sensor que o substitui. Normalmente, eles tentam fazer com que a impedância de entrada do ULF seja igual (ou ligeiramente maior) à resistência do conversor-fonte de sinal nas frequências fundamentais.

Para minimizar a interferência elétrica, é aconselhável utilizar fios blindados de comprimento mínimo para conectar o microfone ao ULF. Recomenda-se montar o microfone de eletreto IEC-3 diretamente na placa do primeiro estágio do amplificador do microfone.

Caso seja necessário distanciar significativamente o microfone do ULF, deve-se utilizar um amplificador com entrada diferencial, e a conexão deve ser feita por meio de um par trançado de fios na blindagem. A blindagem é conectada ao circuito em um ponto do fio comum o mais próximo possível do primeiro amplificador operacional. Isto garante que o nível de ruído elétrico induzido nos fios seja minimizado.

ULF de baixo ruído para microfone em K548UN1A

A Figura 1 mostra um exemplo de ULF baseado em um microcircuito especializado - IC K548UN1A, contendo 2 amplificadores operacionais de baixo ruído. O amplificador operacional e o ULF criados com base nesses amplificadores operacionais (IC K548UN1A) são projetados para uma tensão de alimentação unipolar de 9V - ZOV. No circuito ULF acima, o primeiro amplificador operacional está incluído em uma versão que garante o nível mínimo de ruído do amplificador operacional.

Arroz. 1. Circuito ULF no amplificador operacional K548UN1A e opções de conexão de microfone: a - ULF no amplificador operacional K548UN1A, b - conexão de um microfone dinâmico, c - conexão de um microfone de eletreto, d - conexão de um microfone remoto.

Elementos para o circuito na Figura 1:

R1 =240-510, R2=2,4k, R3=24k-51k (ajuste de ganho),
R4=3k-10k, R5=1k-3k, R6=240k, R7=20k-100k (ajuste de ganho), R8=10; R9=820-1,6k (para 9V);
C1 = 0,2-0,47, C2 = 10 µF-50 µF, C3 = 0,1, C4 = 4,7 µF-50 µF,
C5 = 4,7 uF-50 uF, C6 = 10 uF-50 uF, C7 = 10 uF-50 uF, C8 = 0,1-0,47, C9 = 100 uF-500 uF;
Amplificadores operacionais 1 e 2 - IS K548UN1A (B), dois amplificadores operacionais em um pacote IC;
T1, T2 - KT315, KT361 ou KT3102, KT3107 ou similar;
T-TM-2A.

Os transistores de saída deste circuito ULF operam sem polarização inicial (com Irest = 0). A distorção do tipo “passo” está praticamente ausente devido ao feedback negativo profundo que cobre o segundo amplificador operacional do microcircuito e os transistores de saída. Se for necessário alterar o modo dos transistores de saída (Iquiescente = 0), o circuito deve ser. ajustado de acordo: inclua um resistor ou diodos no circuito entre as bases T1 e T2, dois resistores de 3-5k das bases dos transistores ao fio comum e ao fio de alimentação.

A propósito, transistores de germânio desatualizados funcionam bem em ULF em estágios de saída push-pull sem polarização inicial. Isso permite o uso de amplificadores operacionais com uma taxa de variação relativamente baixa da tensão de saída com esta estrutura de estágio de saída sem o risco de distorção associado à corrente quiescente zero. Para eliminar o perigo de excitação do amplificador em altas frequências, é utilizado um capacitor SZ, conectado próximo ao amplificador operacional, e a cadeia R8C8 na saída ULF (muitas vezes RC na saída do amplificador pode ser eliminado).

Microfone ULF de baixo ruído usando transistores

A Figura 2 mostra um exemplo Circuitos ULF em transistores. Nos primeiros estágios, os transistores operam em modo microcorrente, o que minimiza o ruído ULF interno. Aqui é aconselhável usar transistores com alto ganho, mas baixa corrente reversa.

Isto poderia ser, por exemplo, 159NT1V (Ik0=20nA) ou KT3102 (Ik0=50nA), ou similar.

Arroz. 2. Circuito ULF com transistores e opções de conexão de microfones: a ULF com transistores, b - conexão de microfone dinâmico, c - conexão de microfone de eletreto, d - conexão de microfone remoto.

Elementos para o circuito na Figura 2:

R3=5,6k-6,8k (controle de volume), R4=3k, R5=750,
R6=150k, R7=150k, R8=33k; R9=820-1,2k, R10=200-330,
R11=100k (ajuste, Uet5=Uet6=1,5V),
R12=1 k (ajuste da corrente quiescente T5 e T6, 1-2 mA);
C1=10uF-50uF, C2=0,15uF-1uF, C3=1800,
C4 = 10 µF-20 µF, C5 = 1 µF, C6 = 10 µF-50 µF, C7 = 100 µF-500 µF;
T1, T2, T3 -159NT1 V, KT3102E ou similar,
T4, T5 - KT315 ou similar, mas MP38A também é possível,
T6 - KT361 ou similar, mas MP42B também é possível;
M - MD64, MD200 (b), IEC-3 ou similar (c),
T-TM-2A.

O uso de tais transistores permite não apenas garantir a operação estável dos transistores em baixas correntes de coletor, mas também obter boas características de amplificação com baixo nível de ruído.

Os transistores de saída podem ser usados de silício (KT315 e KT361, KT3102 e KT3107, etc.) ou germânio (MP38A e MP42B, etc.). A configuração do circuito se resume a definir o resistor R2 e o resistor RЗ as tensões correspondentes nos transistores: 1,5V no coletor T2 e 1,5V nos emissores T5 e T6.

Amplificador de microfone Op-amp com entrada diferencial

A Figura 3 mostra um exemplo de ULF em Amplificador operacional de entrada diferencial. Um ULF devidamente montado e sintonizado fornece supressão significativa de interferência de modo comum (60 dB ou mais). Isto garante que o sinal útil seja isolado com um nível significativo de interferência de modo comum.

Deve ser lembrado que a interferência de modo comum é a interferência que chega em fases iguais em ambas as entradas do amplificador operacional ULF, por exemplo, interferência induzida em ambos os fios de sinal de um microfone. Para garantir o correto funcionamento da cascata diferencial, é necessário cumprir com precisão a condição: R1 = R2, R3 = R4.

Figura 3. Circuito ULF em amplificador operacional com entrada diferencial e opções de conexão de microfones: a - ULF com entrada diferencial, b - conexão de microfone dinâmico, c - conexão de microfone de eletreto, d - conexão de microfone remoto.

Elementos para o circuito na Figura 3:

R7=47k-300k (ajuste de ganho, K=1+R7/R6), R8=10, R9=1,2k-2,4k;
C1=0,1-0,22, C2=0,1-0,22, SZ=4,7uF-20uF, C4=0,1;
Amplificador operacional - KR1407UD2, KR140UD20, KR1401UD2B, K140UD8 ou outros amplificadores operacionais em conexão padrão, preferencialmente com correção interna;
D1 - diodo zener, por exemplo, KS133, você pode usar um LED na comutação normal, por exemplo, AL307;
M - MD64, MD200 (b), IEC-3 ou similar (c),
T-TM-2A.

É aconselhável selecionar resistores usando um ohmímetro entre resistores de 1% com boa estabilidade de temperatura. Para garantir o equilíbrio necessário, recomenda-se que um dos quatro resistores (por exemplo, R2 ou R4) seja variável. Este pode ser um trimmer de resistor variável de alta precisão com uma caixa de engrenagens interna.

Para minimizar o ruído, a impedância de entrada do ULF (os valores dos resistores R1 e R2) deve corresponder à resistência do microfone ou do sensor que o substitui. Os transistores de saída ULF operam sem polarização inicial (de 1 repouso = 0). A distorção do tipo escalonado está praticamente ausente devido ao feedback negativo profundo que cobre o segundo amplificador operacional e os transistores de saída. Se necessário, o circuito de conexão do transistor pode ser alterado.

Configurando a cascata diferencial: aplique um sinal senoidal de 50 Hz a ambas as entradas do canal diferencial simultaneamente, selecionando o valor de RЗ ou R4 para garantir um nível de sinal zero de 50 Hz na saída do amplificador operacional 1. Para sintonia, é utilizado um sinal de 50 Hz, pois Uma fonte de alimentação com frequência de 50 Hz contribui ao máximo para o valor total da tensão de interferência. Bons resistores e ajuste cuidadoso podem alcançar supressão de ruído de modo comum de 60dB-80dB ou mais.

Para aumentar a estabilidade da operação ULF, é aconselhável desviar os pinos da fonte de alimentação do amplificador operacional com capacitores e ligar um inteiro RC na saída do amplificador (como no circuito amplificador da Figura 1). Para isso, você pode usar capacitores KM6.

Para conectar o microfone, é usado um par trançado de fios na tela. A tela está conectada ao ULF (apenas em um ponto!!) o mais próximo possível da entrada do amplificador operacional.

Amplificadores aprimorados para microfones sensíveis

O uso de amplificadores operacionais de baixa velocidade em estágios de saída ULF e a operação de transistores de silício em amplificadores de potência em um modo sem polarização inicial (a corrente quiescente é zero - modo B) pode, como observado acima, levar a distorções transitórias do tipo “passo”. Neste caso, para eliminar essas distorções, é aconselhável alterar a estrutura do estágio de saída para que os transistores de saída operem com uma pequena corrente inicial (modo AB).

A Figura 4 mostra um exemplo de tal modernização do circuito amplificador acima com uma entrada diferencial (Figura 3).

Figura 4. Circuito ULF usando um amplificador operacional com entrada diferencial e estágio de saída de baixa distorção.

Elementos para o circuito na Figura 4:

R1=R2=20k (igual ou ligeiramente superior à resistência máxima da fonte na faixa de frequência operacional),
RЗ=R4=1m-2m; R5=2k-10k, R6=1k-Zk,
R7=47k-300k (ajuste de ganho, K=1+R7/R6),
R8=10, R10=10k-20k, R11=10k-20k;
C1 =0,1-0,22, C2=0,1-0,22, SZ=4,7uF-20uF, C4=0,1;
OU - K140UD8, KR1407UD2, KR140UD12, KR140UD20, KR1401UD2B ou outros amplificadores operacionais em configuração padrão e preferencialmente com correção interna;
T1, T2 - KT3102, KT3107 ou KT315, KT361, ou similar;
D2, D3 - KD523 ou similar;
M - MD64, MD200, IEC-3 ou similar (c),
T-TM-2A.

A Figura 5 mostra um exemplo ULF em transistores. Nos primeiros estágios, os transistores operam em modo microcorrente, o que minimiza o ruído ULF. O circuito é em muitos aspectos semelhante ao circuito da Figura 2. Para aumentar a participação do sinal útil de baixo nível no contexto de interferência inevitável, um filtro passa-banda é incluído no circuito ULF, que garante a seleção de frequências no Banda de 300 Hz -3,5 kHz.

Figura 5. Circuito ULF usando transistores com filtro passa-banda e opções de conexão de microfones: a - ULF com filtro passa-banda, b - conectando um microfone dinâmico, c - conectando um microfone de eletreto.

Elementos para o circuito na Figura 5:

R1=43k-51k, R2=510k (ajuste, Ukt2=1,2V-1,8V),
R3=5,6k-6,8k (controle de volume), R4=3k, R5=8,2k,
R6=8,2k, R7=180, R8=750; R9 = 150 mil, R10 = 150 mil, R11 = 33 mil,
R12=620, R13=820-1,2k, R14=200-330,
R15=100k (ajuste, Uet5=Uet6=1,5V), R16=1k (ajuste da corrente quiescente T5 e T6, 1-2mA);
C1=10uF-50uF, C2=0,15-0,33, C3=1800,
C4=10uF-20uF, C5=0,022, C6=0,022,
C7=0,022, C8=1uF, C9=10uF-20uF, C10=100uF-500uF;
T1, T2, T3 -159NT1 V, KT3102E ou similar;
T4, T5 - KT3102, KT315 ou similar, mas você também pode usar transistores de germânio desatualizados, por exemplo, MP38A,
T6 - KT3107 (se T5 - KT3102), KT361 (se T5 - KT315) ou similares, mas também podem ser usados transistores de germânio obsoletos, por exemplo, MP42B (se T5 - MP38A);
M - MD64, MD200 (b), IEC-3 ou similar (c),
T-TM-2A.

Neste circuito também é aconselhável utilizar transistores com alto ganho, mas pequena corrente de coletor reversa (Ik0), por exemplo, 159NT1V (Ik0=20nA) ou KT3102 (Ik0=50nA), ou similares. Os transistores de saída podem ser usados de silício (KT315 e KT361, KT3102 e KT3107, etc.) ou germânio (transistores desatualizados MP38A e MP42B, etc.).

Configurando o circuito, como no caso do circuito ULF na Fig. 11.2, se resume a definir o resistor R2 e o resistor RЗ as tensões correspondentes nos transistores T2 e T5, T6: 1,5V - no coletor de T2 e 1,5V - nos emissores T5 e T6.

Projeto do microfone

Um tubo com diâmetro de 10-15 cm e comprimento de 1,5-2 m é feito de uma grande folha de papel grosso com uma pilha, como veludo. A pilha, como você pode imaginar, é claro, não deveria estar no. por fora, mas por dentro. Um microfone sensível é inserido em uma extremidade deste tubo. Seria melhor se fosse um bom microfone dinâmico ou condensador.

No entanto, você também pode usar um microfone doméstico comum. Pode ser, por exemplo, um microfone dinâmico como MD64, MD200 ou mesmo um MKE-3 em miniatura.

É verdade que com um microfone doméstico o resultado será um pouco pior. Obviamente, o microfone deve ser conectado por meio de um cabo blindado a um amplificador sensível com baixo nível de ruído próprio (Fig. 1 e 2). Se o comprimento do cabo exceder 0,5 m, então é melhor usar um amplificador de microfone que tenha uma entrada diferencial, por exemplo, um VLF para um amplificador operacional (Fig.

Isso reduzirá o componente de interferência de modo comum - vários tipos de interferência de dispositivos eletromagnéticos próximos, fundo de 50 Hz de uma rede de 220 V, etc. Agora, sobre a segunda extremidade deste tubo de papel. Se esta extremidade livre do tubo for direcionada a uma fonte sonora, por exemplo, a um grupo de pessoas falantes, então a fala poderá ser ouvida. Não pareceria nada de especial.

É para isso que servem os microfones. E você não precisa de um cachimbo para isso. Porém, o que surpreende é que a distância até as pessoas conversando pode ser significativa, por exemplo, 100 metros ou mais. Tanto o amplificador como o microfone equipados com esse tubo permitem ouvir tudo muito bem a uma distância tão considerável.

A distância pode até ser aumentada usando filtros seletivos especiais que permitem isolar ou suprimir o sinal em bandas de frequência estreitas.

Isto permite aumentar o nível do sinal útil em condições de interferência inevitável. Numa versão simplificada, em vez de filtros especiais, pode-se usar um filtro passa-banda no ULF (Fig. 4) ou usar um equalizador convencional - um controle de tom multibanda, ou, em casos extremos, um tradicional, ou seja, controle de tom convencional, de duas bandas, graves e agudos.

Literatura: Rudomedov E.A., Rudometov V.E - Eletrônica e paixões de espionagem-3.

trabalho de graduação

2.1 Selecionando um circuito amplificador de baixo ruído

De acordo com as considerações acima, é necessário que o amplificador de baixo ruído atenda aos seguintes requisitos técnicos:

ganho não inferior a 20 dB;

valor de ruído não superior a 3 dB;

faixa dinâmica de pelo menos 90 dB,

frequência central 808 MHz.

Além disso, apresentava alta estabilidade de características, alta confiabilidade operacional, pequenas dimensões e peso.

Levando em consideração os requisitos para um amplificador de baixo ruído, consideraremos possíveis opções para resolver o problema. Ao considerar as opções possíveis, levaremos em consideração as condições em que o módulo transceptor será operado (colocação a bordo de uma aeronave e influência de fatores externos, como mudanças de temperatura, vibração, pressão, etc.). Vamos analisar amplificadores de baixo ruído feitos com diferentes bases de elementos.

Os amplificadores de microondas de menor ruído atualmente são amplificadores paramagnéticos quânticos (masers), que são caracterizados por temperaturas de ruído extremamente baixas (menos de 20 °K) e, como resultado, sensibilidade muito alta. Porém, o amplificador quântico inclui um sistema de resfriamento criogênico (até uma temperatura de hélio líquido de 4,2 o K), que possui grandes dimensões e peso, alto custo, além de um volumoso sistema magnético para criar um forte campo magnético constante. Tudo isso limita o escopo de amplificadores quânticos a sistemas de rádio exclusivos - comunicações espaciais, radar de longo alcance, etc.

A necessidade de miniaturizar dispositivos receptores de rádio de micro-ondas, aumentar sua eficiência e reduzir custos levou ao uso intensivo de amplificadores de baixo ruído baseados em dispositivos semicondutores, que incluem paramétricos semicondutores, diodos de túnel e amplificadores de micro-ondas transistorizados.

Amplificadores paramétricos semicondutores (SPA) operam em uma ampla faixa de frequência (0,3...35 GHz), têm larguras de banda de frações a vários por cento da frequência central (valores típicos 0,5...7%, mas larguras de banda de até 40% pode ser obtido); o coeficiente de transmissão de um estágio atinge 17...30dB, a faixa dinâmica dos sinais de entrada é 70...80dB. Geradores baseados em diodos de avalanche e diodos Gunn, bem como transistores de micro-ondas (com e sem multiplicação de frequência) são utilizados como geradores de bomba. Os amplificadores paramétricos semicondutores são os de menor ruído dos semicondutores e, em geral, de todos os amplificadores de microondas não resfriados. A temperatura do ruído varia de dezenas (em ondas decimétricas) a centenas (em ondas centimétricas) de graus Kelvin. Quando profundamente resfriados (até 20 °K e abaixo), suas propriedades de ruído são comparáveis às dos amplificadores quânticos. Porém, o sistema de refrigeração aumenta as dimensões, peso, consumo de energia e custo da PPU. Portanto, as PPUs resfriadas são usadas principalmente em sistemas de rádio terrestre, onde são necessários dispositivos de recepção de rádio altamente sensíveis e as dimensões, peso e consumo de energia não são tão significativos.

As vantagens do PPU em relação aos amplificadores baseados em diodos túnel e transistores de micro-ondas, além de melhores propriedades de ruído, incluem a capacidade de operar na faixa de frequência mais alta, maior ganho de um estágio e a possibilidade de ajuste eletrônico de frequência rápido e simples ( dentro de 2...30%). As desvantagens do PPU são a presença de um gerador de bomba de micro-ondas, menor largura de banda, grandes dimensões e peso e custo significativamente maior, em contraste com os amplificadores de micro-ondas transistorizados.

Amplificadores baseados em diodos túnel possuem dimensões e peso menores em comparação com outros amplificadores semicondutores, determinados principalmente pelas dimensões e peso dos circuladores e válvulas de ferrite, menor consumo de energia e ampla largura de banda. Operam na faixa de frequência de 1...20 GHz, possuem largura de banda relativa de 1,7...65% (valores típicos 3,5...18%), coeficiente de transmissão de um estágio de 6...20dB, um valor de ruído de 3,5...4,5dB em ondas decimétricas e 4...7dB em centímetros, a faixa dinâmica dos sinais de entrada é de 50...90dB. Amplificadores de diodo túnel são usados principalmente em dispositivos onde é necessário colocar um grande número de amplificadores leves e de pequeno porte em uma área pequena, por exemplo, em antenas ativas em fase. No entanto, recentemente, devido às suas desvantagens inerentes (ruído relativamente alto, faixa dinâmica insuficiente, baixa rigidez elétrica do diodo túnel, dificuldade em garantir estabilidade, necessidade de dispositivos de desacoplamento), amplificadores baseados em diodos túnel foram intensamente substituídos por transistores amplificadores de microondas.

As principais vantagens dos amplificadores semicondutores de baixo ruído - pequenas dimensões e peso, baixo consumo de energia, longa vida útil, capacidade de construir circuitos integrados de micro-ondas - permitem que sejam usados em antenas ativas phased array e equipamentos de bordo. Além disso, os amplificadores de micro-ondas transistorizados têm as maiores perspectivas.

Os avanços no desenvolvimento da física e da tecnologia de semicondutores tornaram possível a criação de transistores com boas propriedades de ruído e amplificação e capazes de operar na faixa de microondas. Amplificadores de baixo ruído de microondas foram desenvolvidos com base nesses transistores.

Os amplificadores transistorizados, ao contrário dos amplificadores baseados em diodos paramétricos semicondutores e de túnel, não são regenerativos, portanto, garantir sua operação estável é muito mais fácil do que, por exemplo, amplificadores baseados em diodos de túnel.

Os LNAs de micro-ondas usam transistores de baixo ruído, tanto bipolares (germânio e silício) quanto transistores de efeito de campo com barreira Schottky (silício e arsenieto de gálio). Os transistores bipolares de germânio fornecem um ruído mais baixo do que os de silício, mas estes últimos têm frequência mais alta. Os transistores de efeito de campo de barreira Schottky têm propriedades de amplificação superiores aos transistores bipolares e podem operar em frequências mais altas, especialmente transistores de arsenieto de gálio. As características de ruído em frequências relativamente baixas são melhores para transistores bipolares e em frequências mais altas - para transistores de efeito de campo. A desvantagem dos transistores de efeito de campo é sua alta resistência de entrada e saída, o que dificulta a correspondência de banda larga.

As considerações acima permitem delinear uma estratégia para a síntese de um amplificador de baixo ruído baseado em um transistor de efeito de campo, em um projeto monolítico integrado.

Conforme escolhido anteriormente, construiremos o LNA baseado no módulo MGA-86563. O diagrama do circuito elétrico é mostrado na Figura 2.1. Um diagrama de conexão típico é mostrado na Figura 2.2: Figura 2.1 Diagrama do circuito elétrico MGA-86563. Figura 2...

Caminho de recepção de alta frequência

Como resultado do trabalho realizado, foi investigado o amplificador de baixo ruído MGA86563. O estudo da resposta em frequência do LNA foi realizado utilizando o suporte SNPU-135, dispositivo para estudo da resposta em frequência X1-42. O diagrama de conexão para medição da resposta em frequência é mostrado na Figura 4....

Conversor de medição de tensão CA para CC

Para implementar o circuito retificador, usamos um amplificador operacional duplo de alta velocidade com transistores de efeito de campo na entrada do tipo KR140UD282. Seus parâmetros são fornecidos na Tabela 5, e o diagrama de conexão é mostrado na Fig.

Amplificador integrado de baixo ruído

Modelagem de transdutores de medição baseados em sensores de temperatura no sistema MICRO-CAP

Com base no edifício, é necessário construir um circuito de três fios (2 opções) para medição de temperatura utilizando um RTD utilizando uma fonte de corrente (ver Fig. 6.2.1). Não. Tensão do circuito na entrada do DUT em 2 Fig.6.2.1...

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