4.1. Общие сведения о малошумящих транзисторных усилителях свч
Малошумящие усилители СВЧ используются во входных цепях радиоприемных устройств, где уровень входного сигнала достаточно мал по сравнению с шумовым сигналом приемного устройства. Они характеризуются коэффициентом шума, равным отношению значений сигнал/шум на входе и выходе МШУ [19].
|
(4.1) |
.Коэффициент шума всего приемного устройства
|
(4.2) |
,
где
- коэффициент шума всех последующих за
МШУ каскадов;
- коэффициент усиления МШУ.
Из формулы (4.2) следует, что МШУ должен обладать малым коэффициентом шума при достаточно большом коэффициенте усиления. Если усиление одного каскада МШУ оказывается недостаточным для "отрыва" от шумов последующих каскадов, то включают друг за другом несколько каскадов. Суммарный коэффициент шума такого многокаскадного усилителя равен [20]:
|
(4.3) |
В многокаскадном МШУ функции отдельных каскадов могут быть распределены следующим образом: первый каскад обеспечивает минимально возможный коэффициент шума при относительно малом усилении, а последующие каскады выводят усиление МШУ на требуемый уровень.
На рисунке 4.1 приведены частотные зависимости эффективных шумовых температур [19]
|
(4.4) |
малошумящих усилителей различных типов, в том числе при их охлаждении, а также внешние по отношению к усилителям составляющие шума для: 1 - квантового усилителя при 4К; 2 - параметрического усилителя при 20К; 3 - усилителя на полевых транзисторах при 20К; 4 - усилителя на полевых транзисторах при 300К; 5 - усилителя на биполярных транзисторах при 300К; 6 - смесителя при 300К; 7 - галактического шума; 8 - реликтового шума; 9 - шума атмосферы; 10 - параметрического усилителя при 300К.
Современные транзисторные МШУ по своим шумовым параметрам в диапазоне 0,1-10 ГГц оказались сравнимыми с полупроводниковыми параметрическими МШУ и усилителями на туннельных диодах и вытеснили последние в указанном диапазоне частот. Кроме того, транзисторные МШУ отличаются большим динамическим диапазоном работы, более высокой выходной мощностью, меньшей температурной зависимостью параметров, высокой надежностью, меньшей стоимостью. По сравнению с туннельными диодами транзисторы представляют собой активные однонаправленные устройства, в то время как туннельные диоды становятся однонаправленными только при включении в радиотракт внешних развязывающих устройств. Транзисторные усилители, помимо этого, являются устройствами нерегенеративного типа и требуют меньшего внимания для обеспечения их устойчивости, чем туннельные.
Рис. 4.1. Частотная зависимость эффективной шумовой температуры малошумящих усилителей.
Таким образом, на частотах от 0,1 до 10 ГГц входные МШУ радиоприемников строятся на биполярных (кремниевых и германиевых) и полевых транзисторах с затвором типа барьера Шотки (кремниевых и арсенидо-галиевых). Современные транзисторы обладают усилением от 4 до 10 дБ при коэффиценте шума 2 дБ в диапазоне 0,1-3 ГГц - биполярные и в диапазоне 3-10 ГГц - полевые. На рисунке 4.2 приведены зависимости коэффициента усиления и коэффициента шума от частоты: а) биполярного транзистора 2Т3124 (А-2, В-2); б) полевого транзистора 3П325А-2.
а)
б)
Рис. 4.2. Частотные зависимости коэффициентов шума
и усиления СВЧ-транзисторов.
Полевые транзисторы с затвором типа барьера Шотки превосходят биполярные транзисторы по усилительным свойствам и работают на более высоких частотах, особенно арсенидо-галиевые транзисторы. Трудность в использовании полевых транзисторов на частоте ниже 3 ГГц состоит в плохой воспроизводимости их свойств и в сложности согласования высокого сопротивления транзистора с подводящими цепями. Так для транзистора 3П325А-2 оптимальное шумовое сопротивление источника сигнала составляет 700 Ом на частоте 1 ГГц, что технически нереализуемо. Поэтому полевые транзисторы используются для построения МШУ на частотах свыше 3 ГГц [20].