Лекция 5 Шумы в схемах убп
В любой электрической схеме всегда присутствуют шумы.
Причины:
1. Неидеальность компонентов схема
2. Физические эффекты, не учитываемые при расчете
Шум – источник тока/напряжения с выходным сигналом в виде случайной величины с известным среднеквадратичным значением и спектральной плотностью.
Источники шума:
1. Внутренние
2. Внешние
При измерении сигналов в (мкВ/мВ) необходимо проводить проверочный расчет с целью определения величины шума.
Источники внешнего шума
Внешние воздействия – влияние внешних компонентов и помех, вызванных электрическими и электромагнитными полями.
Помеха – сигнал в виде:
1. Коротких импульсов
2. Ступенчатых скачков
3. Синусоидальных колебаний
4. Случайного шума
Необходимо учитывать также шум от окружающих компонентов схемы.
Шум Джонсона
Шум Джонсона (тепловой шум) – дает любое сопротивление при T > 0К (обусловлен тепловым движением носителей заряда)
где: Un – шумовое напряжение;
In – шумовой ток;
R – сопротивление;
k – постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж/К);
Т – температура (К);
В – ширина полосы (Гц)
Внешний шум в схеме усилителя
Типовой шум R = 1кОм при комнатной температуре ≈ 4 нВ/√Гц
Другие источники шума – шум контактов, дробовой шум и паразитные эффекты.
Выходной шум схемы можно понизить, уменьшив суммарное сопротивление компонентов или ограничив ширину полосы схемы.
На практике ощутимый вклад в полный шум схемы вносят резисторы во входной цепи и в цепи ООС (при больших Ku)
При проведении анализа можно считать, что шум поступает от источника тока/напряжения
Внутренние источники шума
Шум на выходе усилителя измеряется в виде напряжения
Категории внутреннего шума усилителя:
1. Приведенное к входу шумовое напряжение – en
2. Приведенный к входу шумовой ток – in
3. Фликкер – шум – 1/f
4. Попкорн – шум (низкочастотные скачкообразные изменения сигнала) – 1/f2
Спектральная плотность шума
Приведенные к входу шумовое напряжение и ток описываются через приведенную к входу спектральную плотность шума (среднеквадратический шум в полосе ∆f = 1 Гц)
[пА/√Гц] / [нВ/√Гц]
√Гц вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока пропорциональны корню из ширины полосы.
Модель с некоррелированными генераторами случайного шума
Шум на выходе усилителя измеряется в виде напряжения
|
Все внутренние шумы приводятся к входу – модель с некоррелированными (независимыми) генераторами случайного шума, подключенными последовательно или параллельно к входам идеального нешумящего усилителя. Эти источники шума считаются случайными и/или имеющими гауссово распределение.
|
Приведенное к входу шумовое напряжение
Представляют в виде генератора шумового напряжения
В лучших ОУ спектральная плотность шума может быть < 1 нВ/√Гц
У ОУ на БТ шумовое напряжение ниже, чем у ОУ на ПТ, но у них значительно выше шумовой ток
Шумовые характеристики ОУ на БТ зависят от тока покоя
В современных ОУ на БТ можно добиться одновременно и низких значений шумового тока, и значений шумового напряжения, близких к показателям ОУ на БТ (но не настолько низких, как в лучших усилителях с входным каскадом на БТ)