TAA861/TAA761+ tranzystory, czy ktoś próbował?

[Misiek13]

Temat mnie interesuje, jednak nie zawsze mam czas na aktywny udział w dyskusji. Doba jest krótka i praca zawodowa jest dominującym pożeraczem czasu – z dojazdami jest to ponad 40% czasu, dalszym pożeraczem czasu jest odpoczynek ponad 30% i zostaje niecałe 30% na pozostałe aktywności w tym hobby.
Rzeczywiście polska wersja NE542 jest nieco gorsza od oryginału, ale dla rezystancji źródła sygnału ok 2kΩ (czyli typowej dla układu RIAA) ta różnica już staje się niewielka, widać ją tylko w pomiarach i wątpię żeby ktoś ją usłyszał. Dla mnie NE542 jest mało interesujący ze względu na sposób zasilania i przeznaczenie do układów wejściowych RIAA bądź magnetofonowych. Bardziej mnie interesują NE5532 i NE5534 na których planuję w przyszłości zbudować układ wzmacniacza napięciowego z przestrajanym układem regulacji barwy wg D. Selfa. Układ w sumie retro ale już chyba nie pasuje do zakresu Forum. Na temat szumów trochę się rozwodziłem w innym wątku na temat wzmacniacza na tranzystorach. Okazuje się, że w typowym układzie regulacji barwy dźwięku pracującym przy sygnale 500mV uzyskanie stosunku sygnał szum powyżej 100-paru dB jest całkiem trudne i dominującym źródłem szumów są rezystory (potencjometry). We wzmacniaczu RIAA w pewnym momencie dominującym źródłem szumów staje się wkładka, która ma rezystancję na poziomie 1kΩ połączoną szeregowo z całkiem sporą indukcyjnością. To z kolei powoduje, że dla większych częstotliwości całkiem spory udział w szumach zaczyna mieć rezystor wejściowy 47kΩ. Należy się jeszcze zastanowić nad akceptowalnym poziomem szumów. Głośnik o efektywności 90dB przy mocy 100W da natężenie dźwięku zaledwie 110dB w odległości 1m. Z drugiej strony, przy cichych dźwiękach dochodzi szum otoczenia i nikt raczej nie usłyszy 0dB. Ja z moim przytępionym słuchem u mnie w mieszkaniu nie usłyszę. Moim zdaniem uzyskanie 100dB powinno zadowolić większość osób. 24-bitowe płyty SACD też się zbytnio nie rozpowszechniły. Większość ludzi odróżni kiepskie MP3 od CD ale już SACD od CD nie. Subiektywnie przełączając warstwę CD i SACD słychać różnicę – ale czy to nie jest autosugestia czy celowe działanie wytwórcy płyty? Nie wiem.

[Einherjer]

No właśnie możemy sobie dyskutować o odstępie sygnał szum na poziomie grubo ponad 100 dB, ale w praktyce nawet dobre słuchawki zamknięte mogą mieć problem z zapewnieniem takieg odstępu przy odsłuchu. Kolejna kwestia to szumy i dynamika samego nagrania. Jak ktoś lubi słuchać Elvisa no to
A przedwzmacniacz z NE5532 jak najbardziej się na forum nadaje, choćby do kącika audiofilskiego.

[Romekd]

Czołem.
Dziękuję za wszystkie odpowiedzi. Temat szumów uważam za bardzo ważny dla każdego konstruktora, choć przeważnie przez elektroników-amatorów jest niezrozumiały, ale nawet niektórzy inżynierowie i doktorzy po ukończeniu studiów na kierunku elektronika często mają z tymi zagadnieniami problemy, ewentualnie go nie znają, gdyż nie jest im do niczego potrzebny w zawodzie, który wykonują.
Chciałbym zacząć od stwierdzenia, że nie ma układów bezszumowych (bezszumnych), gdyż nawet już sam przepływ prądu stałego w dowolnym obwodzie wykazuje pewien składnik "szumowy". Przepływ prądu przez przewodniki oznacza przepływ małych cząstek ładunku elektrycznego - elektronów - nie jest to więc przepływ "ciągły", "płynny" o dowolnej wartości natężenia prądu, w znaczeniu dużej lub dowolnie małej, gdyż zawsze stanowi go przepływ jakiejś konkretnej ilości pojedynczych małych ładunków. Przy dużych natężeniach prądu nie jesteśmy w stanie tego dostrzec, gdyż ilość przepływających, w jakimś przedziale czasu ładunków elektrycznych, przy istotnych dla nas wartościach natężenia prądu jest tak ogromna (choć bardzo łatwa do policzenia), że odnosimy wrażenie że przepływ prądu jest całkowicie płynny, jak upływ czasu. Jednak ze spadkiem prądu ten ułamek nieciągłości (zaburzeń wartości chwilowej, czyli właśnie szumu) w płynącym prądzie da się już dostrzec. Przy natężeniu prądu "stałego" równego 1 A, składowa "szumowa" (fluktuacyjna) wynosi jedynie 57 nA, co stanowi zaledwie ok. 0,00000006% (jest ponad 17 milionów mniejsza od średniego prądu /-145 dB/, uważanego powszechnie za całkiem stały), jednak dla prądu o wartości 1 μA wartość fluktuacji wynosi już 0,006% (czyli -85 dB), a dla prądu 1 pA osiąga aż 56 fA, co względem wartości średniej stanowi 5,6% (odstęp średniego prądu od jego składnika szumowego wynosi w tym przypadku 25 dB). Powstający w ten sposób szum ma charakter tzw. szumu białego, czyli jego wartość dla pasma o szerokości np. 1 Hz jest niezależna od tego dla jakiej konkretnej częstotliwości całego pasma go mierzymy. Ten typ szumu został nazwany szumem śrutowym (lub szumem Schottky'ego), gdyż gdybyśmy go posłuchali, swoim brzmieniem przypominałby spadające na blachę kulki (np. śrutu). Co najważniejsze, szum ten ma określoną wzorem wartość gdy przechodzi przez jakąś barierę potencjału, np. przez złącze diody prostowniczej, świecącej, Zenera, złącze baza-emiter lub baza-kolektor dowolnego tranzystora, natomiast w obwodach składających się z samych rezystorów może mieć znacznie mniejszą wartość. Specyficznym obwodem, w którym szum śrutowy może mieć jeszcze mniejszą amplitudę jest układ tranzystorowego źródła prądowego, gdyż w układzie tym występuje bardzo silne ujemne sprzężenie zwrotne, które bardzo mocno szum ten redukuje. Poniżej wzór na obliczanie szumu śrutowego dla dowolnej wartości prądu.

Iszumu = (2 * q * I * B)^1/2

W którym q to ładunek elektronu, równy 1,602E-19, I składowa stała prądu, a B to pasmo w szerokości którego obliczamy wartość szumu śrutowego

Wzór ten pokazuje, że wraz ze wzrostem wartości prądów co prawda szum śrutowy cały czas zwiększa swoją wartość, ale w stosunku do wartości składowej stałej płynącego prądu stanowi coraz mniejszą jego część. Poniżej tabela z wyliczonymi wartościami prądu szumu dla kilku różnych wartości prądu i dla pasma częstotliwości równego 10 kHz i 20 kHz. Tabele pokazują również jaki jest procent szumu śrutowego do średniej wartości prądu oraz jaki jest stosunek obu składowych, podany w decybelach.

Zależność prąd stały-prąd szumu.png

Elektronicy-krótkofalowcy czasami budowali generatory szumu białego w celu badania czułości odbiorników, mającego stałą i ściśle określoną wartość napięcia skutecznego szumu w bardzo szerokim paśmie częstotliwości, wykorzystując w tym celu regulowane źródło prądu stałego (w tych przykładach zrealizowanego na jfecie) i złącze baza-emiter (lub baza-kolektor) tranzystora o bardzo wysokiej częstotliwości granicznej, czyli o bardzo małej pojemności tego złącza, przy czym złącze baza-emiter mogło być spolaryzowane w kierunku przewodzenia lub kierunku zaporowym, działając wówczas jak dioda Zenera. Poniżej dwa takie układy ze starej książki "Poradnik ultra krótkofalowca", wydanej w roku 1988.

Generatory szumu białego.jpg

Ponieważ złącze diodowe wykazuje zmieniającą się z wartością prądu rezystancją dynamiczną, a w układach wysokiej częstotliwości bardzo ważne jest dokładne dopasowanie impedancji źródła szumów i impedancji wejściowej badanego odbiornika, za tego typu generatorem często dawało się tłumik rezystorowy z elementami włączonymi w układzie Pi, który dodatkowo redukował poziom szumu, ale zapewniał dużo dokładniejsze dopasowanie impedancji.

W kolejnych wypowiedziach przedstawię inne typy szumu, przy czym będę się starał robić to w sposób jak najbardziej przystępny również dla początkujących elektroników-amatorów.

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Co najważniejsze, szum ten ma określoną wzorem wartość gdy przechodzi przez jakąś barierę potencjału, np. przez złącze diody prostowniczej, świecącej, Zenera, złącze baza-emiter lub baza-kolektor dowolnego tranzystora, natomiast w obwodach składających się z samych rezystorów może mieć znacznie mniejszą wartość.

Bardziej precyzyjnie można powiedzieć, że ten wzór zakłada, że poszczególne elektrony poruszają się niezależnie od siebie. Tak z grubsza jest w pojedynczym złączu PN, nie jest tak natomiast kiedy prąd płynie w metalowym przewodniku, wtedy szum śrutowy jest dużo mniejszy. W tranzystorze bipolarnym sprawy też się bardziej komplikują, stąd źródła prądowe są "ciche", ale wtórnik emiterowy już nie. We wzorze określającym szum w triodzie też się pojawia współczynnik zmniejszający wartość szumu śrutowego ze względu na wpływ ładunku przestrzennego.

[Romekd]

Drugim poważnym źródłem szumów w układach elektronicznych są rezystory (ogólnie, wszelkie rezystancje, znajdujące się w temperaturze wyższej od temperatury "zera bezwzględnego"). Na zaciskach każdego, nawet nie podłączonego do układu rezystora występują szumy termiczne (możecie też spotkać się z określeniami takimi jak: szum cieplny, szum Johnsona lub Johnsona-Nyquista), których napięcia określa wzór, w którym poza rezystancją opornika R znajduje się jeszcze wartość temperatury liczonej w skali absolutnej (bezwzględnej, Kelwina) T, całkowite pasmo analizowanych szumów B, podawane w hercach i wiążąca te zależności stała Boltzmanna, wynosząca 1,380649E-23 J/K. Wzór ma postać:

P szumów = 4 * k * T * B * R lub w określaniu napięcia szumu: U^ szumu = 4 * k * T * R lub U szumu = pierwiastek(4 * k * T * B * R).

Mogłoby się wydawać, że na zaciskach niepodłączonego rezystora napięcie szumu będzie nieskończenie wielkie, gdyby nie fakt, że każdy rezystor ma jeszcze swoją indukcyjność, pojemność własną i pojemność między wyprowadzeniami, które ograniczają pasmo szumu do stosunkowo małej wartości. Inaczej, dla niekończenie szerokiego pasma częstotliwości mielibyśmy nieskończenie wielkie napięcia szumu...

Poniżej faktyczne napięcia szumu dla kilku różnych rezystancji opornika i kilku szerokości pasma, w którym dokonujemy analizy napięcia szumu. Bardzo ważną rzeczą jest fakt, że szumy pokazane w załącznikach są najmniejszymi z możliwych do wystąpienia dla rezystorów w danym układzie, gdyż oprócz szumów termicznych każdy rezystor przez który przepływa prąd elektryczny generuje jeszcze dodatkowe szumy, które dodają się do tych pierwszych i które spróbuję opisać w kolejnych swoich wypowiedziach.

Szum termiczny rezystorów_1.png

Szum termiczny rezystorów_2.png

Szum termiczny rezystorów_3.png

Pozdrawiam serdecznie
Romek

[Romekd]

Czołem.

Co najważniejsze, szum ten ma określoną wzorem wartość gdy przechodzi przez jakąś barierę potencjału, np. przez złącze diody prostowniczej, świecącej, Zenera, złącze baza-emiter lub baza-kolektor dowolnego tranzystora, natomiast w obwodach składających się z samych rezystorów może mieć znacznie mniejszą wartość.

Bardziej precyzyjnie można powiedzieć, że ten wzór zakłada, że poszczególne elektrony poruszają się niezależnie od siebie. Tak z grubsza jest w pojedynczym złączu PN, nie jest tak natomiast kiedy prąd płynie w metalowym przewodniku, wtedy szum śrutowy jest dużo mniejszy. W tranzystorze bipolarnym sprawy też się bardziej komplikują, stąd źródła prądowe są "ciche", ale wtórnik emiterowy już nie. We wzorze określającym szum w triodzie też się pojawia współczynnik zmniejszający wartość szumu śrutowego ze względu na wpływ ładunku przestrzennego.

Łukasz, fanie, że się włączyłeś do dyskusji. Oczywiście masz 100% racji. Miałem zamiar dokładnie te zagadnienia rozwinąć, ale cieszę się, że możemy wspólnie poszerzać "ramy" dyskusji o szumach Niestety by zagadnienia te były łatwe do zrozumienia przez wszystkich czytających, muszę często stosować pewne uproszczenia, które jednak nie powinny wpłynąć na prawidłowość końcowych wniosków. Gdybym jednak popełnił jakieś widoczne błędy, zawsze mogę coś błędnie rozumieć lub popełnić błędy przy obliczeniach, bardzo proszę o wskazanie mi, w których miejscach coś się nie zgadza...

Pozdrawiam serdecznie i zapraszam zainteresowanych do wspólnej dyskusji. Pytania również są mile widziane.
Romek

[Romekd]

Dla ułatwienia obliczeń i pokazania rzeczywistych parametrów szumowych analogowych układów scalonych (wzmacniaczy sygnału, przełączników torów sygnałów we wzmacniaczach audio itp.) oraz parametrów szumowych tranzystorów, producenci tych podzespołów podają rzeczywiste napięcie szumu wejściowego, które wprowadzają te elementy dla konkretnej wartości rezystancji źródła sygnału lub podają "współczynnik" szumowego psucia parametrów toru szumami własnymi elementów. Te pierwsze parametry są konkretnymi wartościami napięcia całkowitych szumów wejściowych, wzmacnianych następnie przez układ (tranzystor), a drugie są różnicą między poziomem szumów cieplnych (o których pisałem), wprowadzanych przez "bezszumny" rezystor (posiadający tylko szum cieplny) podłączony do wejścia i wzmacniany przez podzespół z dodaniem szumów własnych tego podzespołu. Taki opis mamy na przykład w karcie katalogowej przedwzmacniacza typu NE542N.

NE542N_parametry.png

Widzimy na nim poziom "psucia" (dodatkowego zwiększania wartości) napięcia szumów cieplnych, rezystora podłączonego do wejścia układu, przy czym został on przedstawiony dla kilku wartości oporności idealnego źródła sygnału, czyli samej jego oporności. Jak widać wzmacniacz psuje parametry szumowe idealnego rezystora o 1,2 dB dla wyższych rezystancji (50 kΩ, 20 kΩ) i ok. 2,4 dB dla rezystancji 5 kΩ (dla jeszcze niższych rezystancji na pewno jest dużo gorzej). Decybele, w których podano pogarszanie prze układ szumów jest bardzo wygodną jednostką, gdyż bardzo duże stosunki wartości liczbowych, ale też bardzo małe, pozwala wyrazić za pomocą zaledwie wynikiem składającym się z jednej, dwóch lub trzech cyfr. Dla początkujących powiem, że poziomy decybeli obliczamy wyciągając logarytm dziesiętny ze stosunku dwóch wielkości, przemnożonym 20 razy dla napięć i 10 razy dla mocy. Poniżej zmierzone przeze mnie współczynniki psucia napięcia szumu cieplnego rezystorów przez układy NE542N i nasz krajowy odpowiednik, układ UL1322N. Czy te wyniki pozwalają już zauważyć, że coś w założeniach przy analizie pomiaru było nie tak (dwa czynniki mogły dać taki efekt)?

Porównanie parametrów szumowych NE542N i UL1322N.png

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Przy okazji znalazłem na dysku komputera wyniki pomiarów szumów na wyjściu kilku tranzystorów germanowych, wykonanych w zeszłym roku. Poniżej schemat układu do testowania tranzystorów. Gdzieś na serwerze mam wyniki podobnych pomiarów wielu innych tranzystorów germanowych i krzemowych, a gdzieś w wielu stosach notatek, mam opisane warunki pomiarów, czyli wnoszone przez testowany układ wzmocnienie napięciowe dla danego tranzystora i pasmo przenoszenia układu z konkretnym typem tranzystora. To wrzucam tak dla porównania parametrów układów z tranzystorami germanowymi i krzemowymi.

1_Układ pomiarowy_1.png

w układzie jest specjalny filtr napięcia zasilającego. W innych pomiarach szumów często stosowałem zasilanie ze specjalnie w tym celu wykonanych baterii akumulatorów litowo-jonowych, dzięki czemu pozbywałem się szkodliwych pętli, ściągających zakłócenia z otoczenia.

Zmioerzone poziomy szumów tranzystorów germanowych.png

Pewne zakresy napięcia szumu wynikały ze zmienności charakteru samych szumów, w których niekiedy pojawiały się wysokie poziomy szumów strukturalnych, "wybuchowych", szumów 1/f (różowych).

Pozdrawiam
Romek

[zjawisko]

Upraszczając:
najlepszy szumowo z całej gromadki okazał się (na zdrowy rozsądek nieprzeznaczony do wzmocnienia małych sygnałów) TG50?

...a ten TG5 na czerwono okazał się być egzemplarzem upośledzonym?

[Romekd]

Niestety, tak to właśnie wyglądało w przypadku nielutowanych tranzystorów germanowych NOS. W przeprowadzanych wtedy testach najlepiej wypadł tranzystor z demontażu (bardzo bałem się czy go nie uszkodzę /przegrzanie/, gdyż długość jego wlutowanych do druku wyprowadzeń wynosiła może ze 3 mm) typu TG3F, który wyjąłem z modułu wzmacniacza mikrofonowego przeznaczonego do radiotelefonu (kupiłem go na Allegro). ten TG3F miał również największe wzmocnienie prądowe (ponad 200). By jednoznacznie ocenić jakoś tranzystorów z tabeli potrzebne jest jeszcze niskosygnałowe wzmocnienie prądowe i napięciowe, ale te dane mam gdzieś w stercie notatek (jeśli ich przypadkowo nie wywaliłem ). Wzmocnienie napięciowe tranzystorów w testowanym układzie wynosiło, z tego co próbuję sobie przypomnieć, ok. 100 i nieco powyżej, ale rzeczywiste pasmo przenoszenia, szczególnie dla źródeł sygnału (rezystorów) o większej wartości było tragicznie węższe niż zmierzone przeze mnie dla później badanych popularnych tranzystorów krzemowych, o niskich i bardzo niskich poziomów szumu (zbadałem kilkaset sztuk z kilkudziesięciu typów).

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Tu by się przydała wartość wzmocnienia prądowego każdego egzemplarza. A odnośnie TG50 to może wynika to z mniejszej wartości rbb wynikającej z kolei z większego prądu maksymalnego kolektora? ZTX951 mogący się poszczycić bardzo niskim napięciem szumów ma 4 A dopuszczalnego ciągłego prądu kolektora.

[Romekd]

Tu by się przydała wartość wzmocnienia prądowego każdego egzemplarza. A odnośnie TG50 to może wynika to z mniejszej wartości rbb wynikającej z kolei z większego prądu maksymalnego kolektora? ZTX951 mogący się poszczycić bardzo niskim napięciem szumów ma 4 A dopuszczalnego ciągłego prądu kolektora.

Wszystkie te potrzebne pomiary (wzmocnienie prądowe, napięciowe i pasmo przenoszenia dla danej rezystancji) wykonałem. Problemem jest u mnie, jak zwykle, znalezienie tamtych wyników (chyba wykonuję za dużo doświadczeń i robię za dużo notatek na różnych, często przypadkowych i właśnie dostępnych pod ręką karteluszkach... ). Tranzystory o dużych strukturach, jak wspomniane przez Ciebie ZTX951 (pnp) i ZTX851 (npn) wypadły w testach (dla prądu kolektora 5 mA i z niskimi rezystancjami źródła) rewelacyjnie. Niestety dla większości konstruktorów tranzystor niskoszumowy, np. BC550C , to niskoszumowy i ma tak działać w każdych warunkach, niezależnie od oporności źródła sygnału i wymuszonego doborem wartości rezystorów prądu kolektora, co jak wiesz jest kompletną bzdurą... Nie ma idealnego pod względem szumów tranzystora do wszystkiego, tak jak nie ma idealnego samochodu do jazdy po nierównym terenie, do przewożenia ciężkich ładunków, do turystycznych wypadów z komfortowymi warunkami jazdy i dodatkowo najlepszego do wyścigów i udziału w rajdach...

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Podobnie jest ze wzmacniaczami operacyjnymi. Te z najniższym napięciem szumów zwykle mają tranzystory bipolarne na wejściu. W praktyce więc ich użycie ma sens tylko dla źródeł sygnału o rezystancji wewnętrznej kilku-kilkudziesięciu omów. Jeśli chcemy czegoś możliwie uniwersalnego i nie szukamy ekstremalnie niskich szumów to niskoszumowe JFETy typu LSK170 albo JFE150 są ciekawą opcją, bo przy zachowaniu odpowiednich warunków ich szumy prądowe prawie nie istnieją.

[Romekd]

Podobnie jest ze wzmacniaczami operacyjnymi. Te z najniższym napięciem szumów zwykle mają tranzystory bipolarne na wejściu. W praktyce więc ich użycie ma sens tylko dla źródeł sygnału o rezystancji wewnętrznej kilku-kilkudziesięciu omów. Jeśli chcemy czegoś możliwie uniwersalnego i nie szukamy ekstremalnie niskich szumów to niskoszumowe JFETy typu LSK170 albo JFE150 są ciekawą opcją, bo przy zachowaniu odpowiednich warunków ich szumy prądowe prawie nie istnieją.

Jest dokładnie jak piszesz, dlatego bezmyślna wymiana jednych wzmacniaczy operacyjnych na drugie, zupełnie inne, bez wiedzy o co w ogóle chodzi z tą niskoszumowością (niskoszumnością), jest bez sensu. Pamiętam jeszcze treść książki Pana Piotra Góreckiego "Wzmacniacze operacyjne", który przedstawił informacje mówiące dla jakich rezystancji źródła sygnału dany wzmacniacz operacyjny o niskich szumach jest optymalny. Te same elementy, określane potocznie jako niskoszumowe, potrafią pracować pod względem szumów gorzej od teoretycznie "szumowo" słabszych, jeśli zostaną użyte w nieodpowiedniej dla nich aplikacji. Poniżej wykres dla kilku popularnych, w czasie wydawania książki Pana Piotra Góreckiego, układów scalonych.

Wykres dla AD797_OP-27_TL072.jpg

Oznaczenie układu TL027 jest błędem (literówką), gdyż chodzi oczywiście o popularny układ TL072, z fetami na wejściu. Wartości Rn na wykresie to oporność źródła sygnału, dla której użycie danego typu WO jest sensowne (proszę sprawdzić jakie napięcie szumów wejściowych osiągnęlibyśmy po użyciu super "bezszumnego" i bardzo drogiego układu AD797 dla rezystancji źródła równej 1,7 MΩ...).

Analogiczną sytuację mamy z tranzystorami bipolarnymi, z których każdy niskoszumowy był optymalizowany pod odpowiednią rezystancję źródła sygnału i dla której szumy własne (prądowe i napięciowe) tranzystora są najniższe (np. pogarszają szumy rezystancji źródła o ułamek dB lub tylko nieco bardziej).

Pozdrawiam
Romek

[zjawisko]

Toteż zawsze bawi mnie wymienianie wszystkich tranzystorów na BC550/560 i wszystkich WO na specjalne, pozłacane, za miliony monet i konfekcjonowane przez mnichów z najwyższej góry jakiegoś egzotycznego miejsca. I wmawianie sobie (autosugestia czyni cuda) że gra lepiej. Co znaczy lepiej?
No mniej szumi np...
...z powodu wymiany BC147 we wtórniku kończącym przedwzmacniacz na BC550. No tak, to ma sens...

Albo korektor Radmora lepiej gra, gdyż stadko 741 występujące w układach sztucznych indukcyjności ktoś sobie zamienił na złote czy tam inne platynowe WO.

Kojarzę artykuł, czy nawet post na Triodzie z którego wynikało, iż w stopniu wejściowym, w pewnych warunkach stary, dobry BC413 ma lepsze parametry szumowe od BC550. Czary mary.