本帖最后由 okapi 于 2016-3-7 13:51 编辑
我在上个帖子《纳伏表噪声的探讨》https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=149680&extra=page%3D1提到了一款性价比很高的低噪声射频JFET管BF862，引起了几位坛友的讨论。严格的说，BF862这种高频管由于在低频端有较高的1/f噪声，并不是很适合基准爱好者制作JFET输入的准DC电压放大器。JFET作为放大器的输入级有普通三极管无法取代的低偏置电流和可忽略的电流噪声的优点，好的JFET的电压噪声可以和最好的bipolar双极型三极管媲美，可以作为万金油，兼顾高、低源内阻器件测量，是目前商品电压前置放大器的主流。以后有时间再发一些收集到的电压放大器的电路。
我汇集了几款目前还比较容易从可靠元器件销售商买到的低噪声JFET，数据的来源主要各个器件的说明书，针对和噪声相关的参数进行了一些比较。下面的表格包含了贸泽mouser.cn上能买的的几款小信号放大的JFET。有些坛友问为什么不从万能的淘宝找，价格便宜得多，而且能找到那些经典的2SK170,2SK146等。我想说的是，这些极低噪声JFET最大的市场是面向那些音响发烧友，所以可想而知，有多少是假货。贸泽是美国的元器件经销商，和得捷digikey，易络盟RS，近年都开始进入中国市场，价格不提了，至少从美国发货是保真的。不过，我做这个表格时发现其实意义也不是很大，由于JFET参数离散性大，同一款JFET不同器件的噪声可以相差很多，阅读了一些厂商给的曲线和国外论坛发烧友实际测量的曲线，感觉比较的难度更大了，同一器件在不同的工作点的噪声特性也可以相差很大。因此这张表格比较在不同的条件下的指标其实意义不大。 不管怎么说，结合这张表对如何挑选以及减低JFET的噪声提出了一些建议。其实，对论坛老鸟很多东西都是常识，希望能对和我类似的新手提供些参考，有错误和需要补充的还望指正。黑体的器件是已经停产的经典极低噪声JFET，列入表格便于比较。LinearSystem复制的日本JFET LSK170、LSK389、LSK489不知道经销商，所以价格打了问号。日系厂商用NF表征的，用经验公式从跨导估算出噪声作参考。
对于DC到极低频率段的测量，放大器的噪声主要是1/f噪声。虽然双极型晶体管输入的放大器可以得到很低的电压噪声和1/f转角频率，但由于输入偏置电流大而且电流噪声大，只对低阻待测器件效果好。比如著名的极低噪声运放LT1028，虽然在10Hz时电压噪声低至1nV/√Hz，但电流噪声达到4.7pA/√Hz，所以对200Ohm左右的待测器件，电流噪声乘源电阻就可以比拟电压噪声。对高阻器件其电流噪声高的缺点很快就盖过电压噪声低的优点了。所以，几乎所有的低噪声运放的说明书都有一个章节特别强调该运放适应的源内阻范围。对于源内阻高或未知的情况，最好的选择是JFET输入的放大器。 场效应管是压控器件，理论上输入电流是0，通常电流噪声是忽略不计的。因此，大多数电压测量仪器都是采用JFET差分输入的前级，可以适合从低阻到高阻的电压测量。虽然有些JFET的电压噪声可以媲美双极Bipolar三极管，但场效应管的1/f噪声一般都比较高，JFET管的截止频率（2倍热噪声对应的频率）一般在kHz，而MOSFET往往在MHz甚至更高。而且场效应管参数离散性大，同一批次的管子配对也需要仔细筛选，更要命的是，JFET场效应管的黄金时代是30年前日本模拟音响的辉煌时代，随着磁带磁头放大、电唱机唱头放大这些需要极低噪声放大的民用场合退出历史舞台，哪些曾经白菜价的低噪声JFET基本上都停产多年了，Linear System和InterFET还在生产极低噪声JFET而且复刻了一些日本经典JFET，卖到了几百元的天价，比如370元的IF3602，很难想象这样的器件价格能卖到技术含量高数个量级的Intel CPU的价格。在淘宝上的日本经典低噪声JFET假货泛滥，所以建议从正规渠道。如国际电子元件零售商如贸泽mouser.cn，得捷digikey.cn还有易络盟cn.elements14.cn都有少量的JFET销售，得捷和易络盟的JFET选择较少，只有贸泽还销售InterFET的一些极低噪声的JFET及其孪生对管，如IF3602（~370元），IF3601（~147元），IF9030（~128元），IFN146(2SK146 ~130元)，IFN147(2SK147 ~59元)，其余如东芝、三洋、Vishay(Siliconix)这些传统的JFET厂商现在要么停产，要么被收购。所以如果发现了性价比高的JFET，最好囤一些，以后肯定会越来越少。其实，哪些低噪声前放厂商也是如此，前端使用的JFET一般都是很早的库存，比如2SK170，2SK146，NPD5564等，现在维修起来也比较麻烦。 另一个头疼的问题是如何评估一个JFET的噪声水平。美系厂商喜欢用电压噪声谱密度表征JFET噪声，然而JFET的噪声谱是频率的函数，一个频率点的噪声谱密度（一般是1KHz）完全无法反映极低频的1/f噪声。厂商如InterFET，产品参数是简单一页，从来没有任何特性曲线。而万恶的日系厂商最喜欢用噪声系数NF表征JFET噪声水平，通常对一定源内阻（一般是1K欧）如果NF到达1就在名称上称为低噪声JFET。我们知道NF与源内阻相关，反映地是JFET晶体管和源内阻整体系统中，JFET晶体管添加的噪声量。所以对于高的源内阻，由于热噪声高，JFET添加的噪声在总噪声中所占的比例低，NF就低。所以单谈论NF高低其实没有意义。而且JFET晶体管噪声JFET的噪声水平与其工作条件密切相关，而日系厂商的NF曲线并没有工作在噪声最佳状态，甚至从NF曲线上读出的值也与标称的值不一致（往往低很多）。所以可以认为，日系厂商的数据比较保守，当然从好的方面说，大厂如东芝、安森美（三洋、摩托）、NXP（飞利浦）的管子都很便宜，可能淘出和经典极低噪声管子媲美的JFET。
下面这些参数都可能影响JFET的噪声水平：
1）最重要的是跨导gm，或标为正向跨导gfs，|Yfs|，反映了JFET的放大能力，和三极管的β类似，是栅极电压变化引起的源漏极电流的变化，单位一般用毫西门子(欧姆的倒数)。跨导取倒数是一个以kOhm为单位的等效电阻，这个等效电阻乘以2/3的经验系数反映了JFET的热噪声。比如，IF3602的跨导是750 mS，等效于1/0.75*(2/3)=0.9欧姆的热噪声，在0.2nV/√Hz以下，当然实际值稍高，典型值在0.3nV/√Hz；对正常些的JFET，如2SK170，LSK389，跨导在20mS左右，等效热电阻在1/0.02*(2/3)=33欧姆，为0.73 nV/√Hz，和标称的典型值0.95 nV/√Hz差别不大。当然，这种用跨导估算等效热电阻噪声的方式没有考虑到极低频的1/f噪声，而且与厂商的工艺有关。一般讲，东芝、三洋、飞利浦这些大厂的工艺应该都不错，所以如果这些牌子，toshiba、ON、NXP，小信号的JFET跨导比较大（>15mS），噪声应该都还可以。
（2）然而，跨导不是恒定的，与JFET的偏置电流也可折合成偏置电压有关。具体公式不写了，总的说，偏置电流越大，跨导越高，噪声越低，而同一款JFET，由于参数离散性大，跨导值甚至可以相差几倍，这样噪声值也会有很大的差异。所以简单的说，同一型号JFET尽量选取饱和电流大的，比如，东芝的管子2SK2145按照饱和电流分类成Y（1.2-3mA）、GR（2.6-6.5mA）和BL（6.0-14mA）。BL系列的管子噪声会好些；如果手工挑选，饱和电流大，阈值电压低的噪声也好些；而且工作点选取较高的源漏极电压把JFET偏置到较高电流也有助于降低电压噪声。
（3）1/f噪声的经验公式不同，所以一般需要具体测量衰减到热噪声的转角频率。检查了一些JFET厂商的NF-f曲线（如安森美的2SK3557），我个人认为有些测量曲线可能有问题。如果测量JFET噪声的放大器噪声不够低，会抬高热噪声的本底，从而造成1/f噪声很快衰减到热噪声的假象，从而测出很低的转角频率。而对于极低噪声的JFET，测量相当于几个欧姆电阻的热噪声其实是很难的，需要用器件自身构建放大电路，而且需要仔细考察放大电路各个器件（特别是电阻）、电源对噪声的贡献。国外论坛上有人抱怨IF3602达不到给定指标，有不少大牛对测量方式提出了怀疑。总的说，噪声低的JFET如果不是BF862那样的射频管，1/f噪声在1KHz左右也基本比较低了，减低热噪声的同时1/f噪声也会下降，即使没有衰减到最低，如果低到一定程度对极低频率测量也未尝不可。
（4）通过并联JFET降低噪声是有效的方式，对应N个JFET并联，其跨导提高了N倍（等效热电阻降低了N倍），相应的噪声功率降低了N倍，我们关心的噪声电压降低了√N倍。不过，噪声电流提高了√N倍。此外，输入电容提高了N倍。由于跨导和输入电容都和JFET的导电通道宽带成正比，所以可以用跨导和输入电容比值来考察JFET，一般认为，这个值越高对噪声和速度兼顾的越好。比如IF3602的比值为750/300，2SK146为40/75，2SK170为22/30，BF862为45/10。所以17个BF862并联噪声水平比IF3602还好，速度也更快些。虽然IF3601/3602 JFET是个怪物，而其它的低噪声JFET通过并联也无法达到其水平。高输入电容与高输运电阻形成的低通滤波很不利于高频应用，一般通过共源极放大与共基极放大上下串联的方法Cascode电路消除Miller效应，这也是目前商品电压放大器使用的办法。
总的说，经验可以归结成几点，1）选用知名半导体厂商如东芝、安森美、NXP的小信号JFET，跨导比较大的，噪声都比较低；2）同一型号JFET管，一定挑选饱和电流Idss大的，对应跨导会大些，噪声会低些；3）设置工作点是尽量取源漏极偏置电流Ids大些；4）并联可以有效降低噪声，当然前提是参数差别不大，否则一个老鼠屎坏了一锅粥，并联也会引起电流噪声增大和输入电容增大，不利于高速放大；5）当然资金雄厚的，可以购买InterFET的IF3601/3602, IF9030，这是目前噪声最低的几个JFET，有不少发表的文献用这几个管子达到很好的结果。下回我整理一下，另外发个帖子。
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发表于 2016-3-7 13:47:51
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