2.6. Шумы электронных устройств
Шумы электронных устройств (тепловые шумы)
Тепловой шум порождается хаотическим тепловым движением электронов в проводниках, и его величина зависит от температуры тела.
Если активное сопротивление участка электрической цепи равно R, то спектральная плотность действующего значения э.д.с. тепловых шумов равна:
.
где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.
.
Квадрат действующего значения э.д.с. тепловых шумов:
.
Шумы электронных устройств (дробовые шумы)
Постоянный ток электронного прибора образуется совокупным перемещением огромного числа электронов. Через данное поперечное сечение электронного прибора в различные моменты времени перемещается неодинаковое количество электронов, что вызывает малые колебания тока.
В отличие от теплового шума, зависящего от температуры, дробовой шум определяется величиной тока в рассматриваемой цепи.
Название дробовой шум связано с представлением о том, что электроны достигают анода прибора подобно потоку дроби.
Для вакуумного диода и фотоэлемента, квадрат действующего значения шумового тока:
.
Для фотоумножителя необходимо учитывать коэффициент усиления фотоумножителя и добавочный коэффициент, зависящий от случайных колебаний тока на динодах.
Шумы электронных устройств (избыточные шумы в ПП)
В полупроводниках действуют тепловые и дробовые шумы, величина которых определена ранее.
Отличительной особенностью шумов в полупроводниках является неравномерная зависимость спектральной плотности мощности от частоты: на частотах от 10-4 до примерно 1 КГц наблюдается значительное возрастание шумов. Эти шумы называются избыточными или токовыми.
Точной связи величины избыточных шумов с параметрами полупроводника не установлено. Экспериментально найден характер зависимости этих шумов от частоты:
.
Токовые шумы преобладают над всеми остальными видами шумов полупроводниковых приборов в области частот от нуля до 200 Гц
Рис. 37. Спектральное распределение шумов полупроводникового прибора:
1 – область избыточных шумов; 2 – генерационно-рекомбинационные шумы;
3 – дробовые и тепловые шумы
Шумы в оптико-электронных устройствах затрудняют обнаружение и измерение полезного сигнала.
Часть 3. Модуляция светового потока
Модуляцией излучения называется процесс изменения характеристик излучения для получения информации. Модуляция придает параметрам излучения временную зависимость. Применяя модуляцию можно повысить чувствительность прибора, улучшить условия усиления и обработки электрического сигнала. Модуляция излучения может быть произведена в источнике излучения, или в оптической системе.
Устройства, с помощью которых производят модуляцию называются модуляторами. Модулируют те параметры излучения, которые доступны измерению. К таким параметрам относятся:
- величина лучистого потока;
- направление распространения;
- поляризация излучения;
- спектр излучения.
Амплитудная модуляция
Модуляцию называют амплитудной, если уровень лучистого потока изменяется по определенному, заранее известному закону. Амплитудная модуляция характеризуется частотой модуляции:
.
Амплитудная модуляция характеризуется глубиной модуляции:
,
а также средним значением потока:
Частота модуляции лучистого потока на много порядков меньше частоты оптического диапазона. Применяется частота модуляции от единиц герц до гигагерц. Импульсная модуляция потока является разновидностью амплитудной модуляции.
Частотная модуляция
Рис. 38. Частотно модулированное колебание
При частотной модуляции производится изменение частоты электромагнитного излучения. Величина лучистого потока при этом может оставаться неизменной.
Если до модуляции частота излучения равнялась f0 то при частотной модуляции она изменяется в пределах .
Наибольшее отклонение частоты излучения относительно ее среднего значения называется девиацией частоты.
Частотно модулированное колебание может быть получено при изменении частоты амплитудной модуляции потока.
Период изменения частоты называют периодом модуляции, а обратную ему величину - частотой модуляции.
Модуляция плоскости поляризации
Поворот плоскости поляризации при распространении волны в некоторых веществах можно использовать для получения информации о свойствах этих веществ. Для автоматизации измерений в приборах, где используется линейно-поляризованное излучение, производят модуляцию плоскости поляризации.
Рис. 39. Модуляция плоскости поляризации
Число колебаний вектора в секунду называется частотой модуляции. Модуляция характеризуется также наибольшим углом отклонения. В поляризационном сахариметре ПАР частота модуляции 50 Гц, а наибольший угол поворота плоскости поляризации 3.5 град (для длины олны 0.59 мкм) Измеряя угол, судят о концентрации сахара в растворе.
Модуляция направления распространения
Периодическое изменение направления распространения излучения может применяться с различной целью, в том числе для изменения величины лучистого потока, падающего на светочувствительную поверхность фотоприемника (амплитудная модуляция лучистого потока).
Если периодическое изменение направления распространения излучения производится с целью обзора пространства то оно называется сканированием. Сканирование может быть непрерывным или скачкообразным.
Рис. 40. Сканирование в пространстве предметов:
1 – поле обзора; 2 – мгновенное поле зрения; 3 – сканирующее зеркало;
4 – диафрагма; 5 - приемник
Спектры модулированных колебаний
Самый простой спектр частот на выходе фотоприемника получается при гармоническом изменении потока:
Тогда напряжение на выходе фотоприемника:
Рис. 41. Изменение потока при гармоническом модулирующем воздействии
Рис. 42. Спектр потока при гармонической модуляции
\
Механические модуляторы
Механические модуляторы служат для амплитудной и двойной (АИМ, ЧИМ) модуляции лучистого потока.
Модулятор часто выполняют в виде вращающегося диска. Обычно используют либо диск с отверстиями, либо диск с нанесенными на него черными секторами. Диск приводится во вращение двигателем, и пучок света прерывается, когда его сечение перекрывает непрозрачный участок диска.
Рис. 43. Модулирующий диск: а – растр диска; б – расположение диска:
1 – объектив; 2 – диафрагма поля зрения; 3 – диск; 4 - двигатель
Модулятор с диском может быть использован не только для изменения потока, но так же для коммутации (переключения) двух световых пучков. При вращении зеркального диска (полудиска) потоки двух каналов поочердно падают на приемник. При неравенстве потоков в каналах облученность поверхности приемника окажется модулированной с частотой вращения диска.
Рис. 44. Коммутатор пучков лучей
Модуляция потока может быть произведена с помощью электро- механического вибратора, один из вариантов которого выполнен на базе поляризованного реле. К обмотке вибратора прикладывается переменное напряжение, и якорь колеблется с частотой питающего напряжения. С якорем связана заслонка, расположенная около щели, сквозь которую распространяется световой поток. При колебаниях заслонки величина потока, проходящего за щелью изменяется. Частота модуляции ограничена инертностью модулирующей системы и обычно не превышает сотен герц.
Рис. 45. Модуляция с помощью электромеханического модулятора:
1 – источник излучения; 2 – заслонка; 3 – упоры; 4 – постоянный магнит;
5 – обмотка; 6 – щель; 7 - приемник