Od czego zależą szumy rezystora?

Rys. 1. Gęstość spektralna szumów całkowitych w rezystorze

Do porównywania, dlaczego jedne rezystory szumią bardziej niż inne, używano różnych kryteriów, ale przyjęło się, że porównywanie jakości brzmienia dźwięku w systemie audio jest kryterium najlepszym. Na szum w rezystorze składa się szereg składników.

W aplikacjach audio największy wpływ mają szumy termiczne i szumy prądowe. Szum termiczny nie zależy od rodzaju materiału rezystywnego. Poziom tego szumu wyznaczają tylko temperatura i rezystancja. Widmowa gęstość mocy szumu termicznego ST [V2/Hz] jest równomiernie rozłożona w całym zakresie częstotliwości.

Wynosi ona ST = 4kTR, gdzie R jest rezystancją rezystora [W], T - temperaturą rezystora [K], a k = 1,3807·10-23 J/K jest stałą Boltzmanna. Szum prądowy wyraźnie zależy od rodzaju materiału rezystywnego.

Doświadczalnie ustalono, że widmowa gęstość napięcia szumu prądowego SE jest wprost proporcjonalna do kwadratu spadku napięcia stałego U na rezystorze, a odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości f: SE = (C·U2)/f, gdzie C jest stałą, zależną od rezystywnego materiału rezystora i technologii jego produkcji.

Rys. 2. Średnie indeksy szumów typowych rezystorów

Zależność SE od częstotliwości przedstawiono na rysunku 1. Poziom szumu prądowego w rezystorze zwykle jest wyrażana w mV/V lub w decybelach (jako wskaźnik szumu, [NI]dB): [NI]dB = 20log[(u/U)·106], gdzie u jest średnią kwadratową napięcia szumu na dekadę częstotliwości, U jest spadkiem napięcia stałego na rezystorze.

Im wskaźnik szumu jest mniejszy, tym mniejszy jest szum prądowy w rezystorze. Wskaźnik szumu w rezystorach produkowanych w różnych technologiach jest przedstawiony na rysunku 2. Widać, że w rezystorach wykonywanych z mieszanek materiałowych, jak w rezystorach węglowych i grubowarstwowych, poziom szumu prądowego jest najwyższy.

Jest to spowodowane znaczną niejednorodnością materiałów rezystywnych. Ścieżki przewodzenia w tych materiałach tworzą stykające się ze sobą przewodzące cząstki zatopione w masie izolacyjnej. Szum jest generowany przez prąd przepływający poprzez niestabilne kontakty pomiędzy tymi cząstkami.

Rezystory cienkowarstwowe są źródłem mniej intensywnych szumów dzięki znacznie bardziej jednorodnej strukturze. Rezystory te produkuje się przez naparowywanie lub napylanie materiału rezystywnego (na przykład azotku tantalu TaN, chromku krzemu SiCr, lub chromo- niklu NiCr) na ceramiczne podłoże. Grubość nałożonych warstw waha się od 10 do 500 Å, zależnie od wymaganej rezystancji.

Rys. 3. Wzmacniacz audio w układzie wzmacniacza operacyjnego

Szum w cienkich warstwach jest wynikiem okluzji, wad powierzchniowych i niejednorodnych wtrętów, których wpływ jest tym większy, im warstwa cieńsza. Dlatego gdy warstwa jest grubsza, rezystancja jest mniejsza i poziom szumów niższy. Najmniejsze szumy obserwuje się w rezystorach z jednolitego metalu, foliowych i drutowych.

W rezystorach drutowych szum powstaje zwykle na styku drutu z materiałem końcówki. W rezystorach foliowych końcówki są elementami tej samej folii, więc problem styku nie istnieje.

Główną wadą rezystorów drutowych jest ich indukcyjność, zmieniająca ich impedancję i uzależniająca ją od częstotliwości. Zastępcza reaktancja szeregowa rezystorów drutowych wraz z pasożytniczymi składowymi innych podzespołów może przyczyniać się do:

• powstawania pasożytniczych oscylacji o częstotliwości od 5 MHz do ponad 50 MHz, w istotny sposób zakłócających działanie wzmacniacza,
• wywoływania znacznych przesunięć fazowych, wpływających na brzmienie dźwięku,
• wychwytywania EMI o amplitudzie przewyższającej poziom szumu prądowego.

Rezystory foliowe nie wywołują takich efektów, ponieważ są kształtowane przez chemiczne trawienie jednorodnej folii metalicznej w kształcie równoległych i bliskich ścieżek, których indukcyjność się znosi.

Rezystory foliowe

Rys. 4. Nieliniowość charakterystyki napięciowej wzmacniacza

W urządzeniach audio wysokiej klasy wymaga się niskich szumów własnych, doskonałej liniowości i minimalnych zniekształceń dynamicznych. Typowy wzmacniacz audio składa się z przedwzmacniacza napięciowego i wzmacniacza mocy. Przedwzmacniacz otrzymuje sygnał niskonapięciowy, dlatego wielkie znaczenie ma niski poziom jego szumów własnych.

A jednymi z głównych źródeł szumów we wzmacniaczach są rezystory. Podstawowymi wymaganiami wobec wzmacniacza audio są liniowość wzmocnienia i minimalne zniekształcenia dynamiczne. Rezystory foliowe, podobnie jak drutowe czy metalowe cienkowarstwowe, charakteryzują się doskonałą liniowością.

Jednak właściwość ta sama w sobie nie wystarcza do zapewnienia doskonałej liniowości wzmacniacza. We wzmacniaczach audio korzysta się zwykle ze sprzężenia zwrotnego w układach podobnych do wzmacniacza operacyjnego, jak na rysunku 3.

Jego wzmocnienie determinowane jest stosunkiem rezystancji w układzie pętli. Niemniej moc wydzielana w rezystorze R2 zawsze przewyższa moc wydzielaną w R1, więc temperatura R2 jest wyższa od temperatury R1.

Nawet jeżeli współczynniki temperaturowe obu rezystorów będą jednakowe, to wzmocnienie wzmacniacza będzie zależało od napięcia wyjściowego U0, a impulsy sygnału dźwiękowego będą mogły wpływać na chwilowe wzmocnienie wzmacniacza.

Rys. 5. Skutek samopodgrzewania się (współczynnik mocy rezystancji) rezystorów trzech różnych rodzajów po upływie 9 s pod obciążeniem 0,3 W

W rezultacie zależność pomiędzy napięciem wejściowym U1 a wyjściowym U0 nie będzie liniowa (rys. 4). Zjawisko to jest zwane temperaturową nieliniowością wzmacniacza. Jego przyczyną jest podgrzewanie się rezystorów, zależne od mocy w nich wydzielanej.

Jego wpływ można zmniejszyć, dobierając rezystory o minimalnym współczynniku temperaturowym. Współczynnik ten, gdy w chipach rezystorowych rozmiaru 1206 wydziela się 0,3 W, wynosi:

• dla grubowarstwowego chipu rezystorowego około + 42 ppm/°C,
• dla cienkowarstwowego chipu rezystorowego około + 4 ppm/°C,
• dla folii metalowej technologii Z firmy Vishay około - 0,1 ppm/°C.

Stąd we wzmacniaczach audio preferuje się stosowanie metalicznych rezystorów foliowych, zapewniających dobrą liniowość i małe zniekształcenia dynamiczne.

KKP