1.4 Внутренние шумы

Источники внутренних шумов в приемнике – пассивные элементы цепей, обладающие омическим сопротивлением, и активные приборы, работа которых основана на принципе управления потоками носителей заряда в твердом теле или вакууме.

Под воздействием теплового возбуждения имеющиеся в каж­дом омическом сопротивлении свободные носители заряда хаоти­чески перемещаются, создавая флуктуационные токи и падения напряжения на этом сопротивлении. Эти процессы на­зываются тепловыми шумами,их средние значения равны нулю, а энергетический спектр может считаться равномерным до частот порядка 10¹¹... 10¹²Гц – «белый шум». Таким образом, любой элемент цепи с омическим сопротивлением, находящийся при тем­пературе, отличной от абсолютного нуля, может быть представ­лен в виде эквивалентного генератора шумовой ЭДСE_ш или ге­нератора шумового токаI_шс «не шумящим» внутренним сопро­тивлениемR.Энергетические спектры шумовых ЭДСE_n= E_ши токаI_n= I_шоп­ределяются формулами Найквиста, а их средние квадраты (дис­персии) равны соответственно

= 4kTRП_ш ,= 4kTП_ш/R,

где k =1,3810^–23Дж/К – постоянная Больцмана;Т – абсолютная температура цепи,К;

П_ш – шумовая, интегральная или энергети­ческая полоса, Гц.

Шумовая полоса, в пределах которой вычисляются или измеря­ются шумы определяется соотношением

П_ш=,

где (f) – нормированная АЧХ усилительного тракта (УТ).

Величина kTхарактеризует интенсивность тепловых флуктуаций в полосе частот 1 Гц приR= 1 0м.

Ис­точники шумов в полупроводниковых приборах имеют различную физическую природу.

Шумы биполяр­ных транзисторов (БТ) в радиочастотном диапазоне имеют три составляющие: 1) тепловые шумы объемных сопротивлений областей базы, эмиттера и коллектора; 2) флуктуация заря­да, протекающего через эмиттерный и коллекторный переходы (дробовый шум); 3) флуктуация коллекторного и базового токов, обусловленная случайным процессом рекомбинации носителей за­ряда в базе.

Уровень шумов полевых транзисторов (ПТ) меньше, чем БТ. Источники тепловых шумов ПТ: объемные сопротивления истока и стока; канал, который можно рассматривать как управляемый ре­зистор. Кроме того, следует учитывать дробовый шум тока утечки затвора.

Для количественной оценки шумовых свойств усилительного прибора (УП) используется эквивалентная схема, состоящая из не шумящего прибора и генераторов шума – рис.1.7.

Рис.1.7 – Эквивалентная схема усилительного прибора

Шум на выхо­де эквивалентной схемы представляется как следствие усиления подводимого к управляющему элек­троду шумового напряжения Umax, создаваемого двумя эквивалентными генераторами: генератором ЭДСЕшВХи генератором токаIшВХ с внутренней проводимостьюG11. G11– входная проводимость УП.

Шумы на входе транзистора обусловлены не­сколькими источниками, поэтому для удобства расчетов принима­ют, что основная часть этих шумов возникает в эквивалентном шумовом сопротивлении R_ш, определяющем шумовую ЭДС.

= 4kTRП_ш (1.3)

– сред­ний квадрат шумовой ЭДС.

Генератор шумового тока учитывает шумы, наведенные в цепи управляющего электрода транзистора, а также тепловые шумы. Средний квадрат этого тока

= 4kT t_ш G₁₁ П_ш , (1.4)

где t_ш =T_ш/T₀— относительная шумовая температура транзистора, показывающая, во сколько раз температура нагреваТпроводи­мостиG₁₁

должна быть больше нормальной температуры T₀ = 293 К (20 °С), чтобы генератор токаI_шВХ создавал шумы, экви­валентные тем, которые наводятся в цепи управляющего элек­трода.

Шумовые свойства БТ зависят от усиления, ре­жима питания, способа включения прибора. Шумовое сопротивление R_шдля БТ составляет десятки ом, относительная шумовая температураt_шl.

Шумовые свойства ПТ в основном определяются тепловыми шумами канала и характеризуются шумовым сопротивлением R_ш= (0,6 ... 0,75)/S, гдеS— крутизна сток-затворной характеристики, а ко­эффициент в числителе зависит от материала, геометрии, технологии производства и других особенностей транзистора. Второй заметной шумовой составляющей являются тепловые шумы объемных сопротивлений истока и стока, определяемые выражением (1.4) приt_ш =1. Дробовый шум тока утечки затвора мал, и его можно не учитывать.

Источники внешних шумов для приемника: 1) приемная антенна – ее ак­тивное сопротивления потерь; 2) излучения космоса, атмосферы и Земли.

Шумы сопротивления потерь обычно незначительны. Об­щие шумы антенны можно оценивать средним квадратом ЭДС шума от внешних излучений:

_A = 4kT_A R_A П_ш, (1.5)

где R_A — сопротивление излучения антенны;T_A= t_A T₀ — эквивалентная шу­мовая температура антенны, т. е. температура, при которой на­ходится сопротивлениеR_A, шумящее так, как шумит реальная ан­тенна.

T_A= T_К+T_атм+T_З,

где T_К– значение шумовой тем­пературы, связанное с попаданием в антенну кос­мических шумов;T_атм,T_З– значения шумовой тем­пературы, связанные с попаданием в антенну соответственно шумов атмосферы и теплового излучения Зем­ли.

Интенсивность составляющих T_Aсложным образом за­висит от частоты, диаграммы направленности и ориентации антен­ны, времени приема и географического положения.

Для количественной оценки шумовых свойств РПрУ ис­пользуются один из параметров: коэффициент шумаилишумовая температура. Эти параметры опреде­ляются для линейной части тракта, т. е. до первого нелинейного для малых сигналов и шумов звена – детектора.

Линейный шумящий преобразователь представим в виде четырехполюсника с входным сопротивлением R_ВХи коэффициентом усиления (передачи) по мощности

К_Р=P_СВЫХ /P_СВХ,

нагруженный на сопротивление R_Н. К входным зажимам подключается источник сигнала с выход­ным сопротивлениемR_Г, являющийся одновременно и источником тепловых шумов с ЭДС_A, квадрат которой_A= 4kT_A R_A П_ш.

При согласовании источ­ника сигнала с входом преобразователя (R_Г = R_ВХ) на входном сопротивлении последнего рассеивается максимальная (номиналь­ная) мощность шумов

P_шВХном= E²_ш/4R_ВХ= E²_ш/4R_ = kTП_ш.

На практике часто имеет место рассогла­сование источника сигнала и преобразователя (R_Г  R_ВХ); при этом наR_ВХрассеивается меньшая шумовая мощностьP_шВХ = kTП_ш, где = P_шВХ/P_шВХном— коэффициент рассогласования, зависящий от соотношения сопротивленийR_ГиR_ВХ:

 = (R_ + R_ВХ)² / 4 R_ R_ВХ, при R_ = R_ВХ  =1.

В преобразователе сигнал и шумы усиливаются или ослабляют­ся в Крраз, и если бы он был идеальным (не шумящим), на его нагрузке сопротивлениемR_Н рассеивалась бы мощность шумов

P_шВЫХи =P_шВХ K_p= kTП_шK_p,

обусловленная лишь шумами источ­ника сигнала, находящегося при температуре Т.В реальном преобразователе к этим шумам добавляются его собственные шу­мы мощностьюP_Шсоб, в результате на нагрузке рассеивается большая шумовая мощность

P_шВЫХ = P_шВЫХи + P_шсоб.

Коэффици­ент шума показывает, во сколько раз мощность шумов на выхо­де реального преобразователя превышает мощность шумов на выходе не шумящего преобразователя – идеального четырехполюсника

Ш =P_шВЫХ / P_шВЫХи = 1 +P_Шсоб / P_шВЫХи = 1 +P_Шсоб / (kTП_шK_p). (1.6)

Коэффициент шума за­висит от шумовых свойств источника сигнала, обусловленных его температурой Т,т. е. не может служить объективной мерой шу­мовых характеристик преобразователя – четырехполюсника. Для устранения этой неоднозначности принимают шумовую температуру источника сиг­нала равной комнатнойT₀.

Добавление собственных шу­мов ухудшает отношение сигнал/шум на выходе преобразователя P_сВЫХ/P_шВЫХпо сравнению с входным отношением

P_сВХ/P_шВХ, поэтому коэффициент шума можно определять соотношением

Ш =P_сВХP_шВЫХ/P_сВЫХP_шВХ.

Чем выше уровень собственных шумов преобразователя – четырехполюсника, тем больше коэффициент шума отличается от единицы. Для идеаль­ного не шумящего четырехполюсника Ш = 1. Коэффициент шума пассивного преобразователя (фидер, ВЦ) в общем случае

Ш = /K_p,

а при его согласовании с источником сигнала и нагрузкой Ш = 1 /K_p, т. е. определяется коэффициентом передачи цепи по мощ­ности.

В пассивной цепи с потерями K_p < 1, Ш > 1.

Усилительный тракт РПрУ представляет собой последовательный ряд активных и пассивных преобразователей, линейных для слабых сигналов и шумов. Важно иметь возможность оценить общий коэффициент шума приемника с уче­том шумовых вкладов отдельных каскадов и цепей. Основываясь на приведенных выше соотношениях, нетрудно определить общий коэффициент шума тракта, ес­ли известно, что образующие тракт преобразователи имеют одинаковую шу­мовую полосу П_ш, обладают коэффициентами передачи по мощностиK_Рi, коэффициентами шумаШ_i, а коэффициен­ты рассогласования на их стыках_i .

При согласованности каскадов между собой

K_P1= K_P1ном, K_P2= K_P2ном, …;

Ш = Ш₁ + (Ш₂ 1) /K_P1ном + (Ш₃ 1)/K_P1номK_P2ном+ … (1.7)

Для супергетеродинного приемника, усилительный тракт (УТ) которого вклю­чает ВЦ, УРЧ, ПЧ и УПЧ, из (1.7) получаем

Ш_пр = 1 /K_{PВЦ ном} + (Ш_УРЧ1) /K_PВЦном + (Ш_ПЧ 1) /K_PВЦном K_{PУРЧ ном} +

+ (Ш_УПЧ 1) /K_PВЦномK_{PУРЧ ном}K_{PПЧ ном} . (1.8)

Из (1.8) следует, что шумовые свойства приемника определя­ются в основном его первыми каскадами, причем не только их шу­мовыми показателями, но и коэффициентами передачи по мощ­ности, которые должны быть возможно большими. Обычно Ш_УРЧ< Ш_ПЧ ,K_PУРЧ» 1, поэтому включение УРЧ в усилительный тракт существенно снижает результирующий коэффициент шума при­емника. Чаще всегоK_PПЧ1, поэтому в отсутствие УРЧ, когда первым каскадом приемника является ПЧ, заметную роль наря­ду с его шумами начинают играть шумы УПЧ, к уровню которых в этом случае предъявляются повышенные требования.

Для оценки шумовых свойств малошумящих преобразователей, у которых коэффициенты шума близки к единице, удобнее использовать эквивалентную шумовую температуру

T_ш = (Ш₂ 1)T₀, (1.9)

показывающую, насколько должна быть повышена абсолютная температура сопротивления источника сигнала R_Г,подключенно­го к входу идентичного, но не шумящего четырехполюсника, что­бы мощность шумов на его выходе равнялась мощности шумов на выходе реального преобразователя. Из (1.9) следует, чтоШ = 1 +T_ш /T₀, и с учетом (1.8) можно определить эквивалентную шумовую температуру супергетеродинного приемника с малошумящим усилителем радиочастоты на входе при согласовании между его каскадами. Шумовая температура преобразователя в отличие от коэффи­циента шума не зависит от шумовой температуры источника сиг­нала – преимущество шумовой температуры как меры шумовых свойств приемного устройства.