Романюк_Приемопередающие_устройства

Таким образом, свойство усилителя добавлять к входному шуму собственный может быть обозначено либо коэффициентом шума N , либо шумовой температурой Tш .

10.6. Коэффициент шума

пассивного четырехполюсника

Допустим, на рис.10.2 изображена схема подключения источника шума к пассивному четырехполюснику ( KP < 1). На выходе нешумящего (идеального) четырехполюсника мощность шума меньше мощности шума входного. Однако реальный пассивный четырех-

полюсник является источником шума, он эквивалентен резистору. При согласовании это-

го эквивалентного резистора с входным импедансом следующего каскада выходная мощ-

ность шума пассивного четырехнолюсника определяется выражением (10.3). Подставив

это выражение в основную формулу для коэффициента шума (10.5), получим N = 1 .

K P

10.7. Шумы транзистора

Даже без подачи напряжения на транзистор (биполярный или полевой) через его вы-

ходной электрод протекает ток, который является случайной функцией времени. Его по-

явление обусловлено, как и в резисторе, тепловым движением подвижных носителей за-

ряда - электронов и дырок. Кроме того, вклад в шумовой ток создают процессы генерации и рекомбинации носителей заряда. Спектральная плотность мощности флуктуаций тока,

обусловленных упомянутыми причинами, имеет постоянный характер в широком диапа-

зоне частот, поэтому такой шум называется тепловым, или белым.

Помимо теплового, в транзисторах существует другой вид шума, называемый фликкер-

шумом, или шумом вида 1/F. Название обусловлено тем, что его спектральная плотность мощности падает обратно пропорционально частоте флуктуаций.

Можно считать, что общий шум выходного тока транзистора равен сумме мощностей теплового и фликкер-шумов. Мощность теплового шума на выходе транзистора в соответ-

ствии с (10.5) и (10.3) равна: Pш.вых NkTПш KP .

Спектральная плотность мощности теплового шума S0 - это предел отношения части мощности шума Pшi в узкой i-й полосе f к ширине этой полосы при стремлении f к 0:

S0 lim Pшf i .

Считая, что шумовая полоса Пш = f , запишем S0 NkTKP , Дж.

71

Спектральную плотность мощности фликкер-шума представим в виде Sф PFф , где Pф

- постоянная, имеющая размерность мощности, характеризующая уровень фликкер-шума;

F - частота флуктуаций выходного тока транзистора.

На рис.10.3 изображены графики зависимостей S0 и Sф, а также суммарной спектраль-

ной плотности S выходного шума транзистора от частоты флуктуаций F.

Спектральная плотность мощности суммарного шума на выходе транзистора

S S0 Sф .

Из рис.10.3 видно что на некоторой частоте флуктуаций Sф (Fф ) S0 .

Рис.10.3. Зависимости спектральной плотности мощности шумов транзистора от частоты флуктуаций

Суммарную плотность мощности запишем в виде S S0 Sф или

Здесь принято обозначение F ф Рф .

S 0

Из (10.10) видно, что спектральная плотность мощности шума на выходе транзистора определяется тремя его параметрами:

•коэффициентом шума N;

•коэффициентом усиления мощности KP;

•граничной частотой фликкер-шума Fф .

При выборе транзистора для построения различного рода устройств нужно учитывать следующие соображения.

1. Коэффициент шума N следует, по возможности, уменьшать, устремляя его к 1 или 0

дБ.

2. Граничную частоту фликкер-шума Fф следует уменьшать, особенно при построении устройств, для которых важны низкочастотные флуктуации (например, автогенераторов).

72

10.8. Шум линейной части приемника

Радиоприемник можно рассматривать как линейную часть, представляющую собой каскадное соединение линейных по отношению к видеосигналу четырехполюсников, где каждый четырехполюсник имеет коэффициент усиления KPi и коэффициент шума Ni, и

нелинейную часть, включающую в себя преобразователи сигналов. Именно линейная часть оказывает определяющее влияние на чувствительность приемника, поскольку сиг-

нал здесь весьма маломощный и соизмерим с шумом.

Введем понятие коэффициента шума линейной части приемника, который равен от-

ношению величины сигнал/шум на входе линейной части к величине сигнал/шум на вы-

ходе линейной части. Можно показать, что

Это соотношение весьма важно для составления структурной схемы приемника.

Как видно из (10.11), для снижения шума приемника следует в качестве одного-двух первых каскадов применять устройства с малыми значениями коэффициентов шума Ni и

большими коэффициентами усиления мощности K Pi . Поэтому обычно сразу после прием-

ной антенны ставят малошумящий усилитель (МШУ). Транзистор для него выбирают по критерию минимального коэффициента N и максимального коэффициент K P .

В радиоприемниках, которые расположены в местах, где на приемной антенне наво-

дятся электродвижущие силы от двух станций, между антенной и МШУ ставят предвари-

тельный селектор - фильтр, предохраняющий транзистор МШУ от перегрузки.

73

11. Источники электромагнитных колебаний

Простейшим источником электромагнитных колебаний является автогенератор - уст-

ройство, в котором колебания возникают самопроизвольно при включении источника по-

стоянного напряжения. Другое название автогенератора - генератор с самовозбуждением.

Основные требования к автогенератору: постоянство (стабильность) частоты колебаний и низкий уровень фазового шума.

11.1. Состав автогенератора

Возникшие колебания получаются наиболее стабильными, если они гармонические.

Для создания гармонических колебаний в состав автогенератора включают резонатор, в

котором используется его важное свойство - колебательный характер переходного про-

цесса. В качестве резонатора можно применить колебательный LC-контур. Если зарядить емкость C до некоторого напряжения Um и подключить к нему индуктивность L, то пере-

ходный процесс разряда емкости будет иметь вид затухающей косинусоиды

потери энергии и связь с нагрузкой; 0 - собственная частота контура.

Для того чтобы колебания были незатухающими, нужно в контур периодически до-

бавлять электромагнитную энергию синхронно с возникшими колебаниями. Дополни-

тельная энергия черпается из источника питания, в котором существует постоянное элек-

трическое поле. Энергия постоянного электрического поля должна быть преобразована в электромагнитную энергию, что выполняется активным элементом цепи. В качестве ак-

тивных элементов автогенератора применяют транзисторы, генераторные диоды либо ва-

куумные приборы - магнетроны, отражательные клистроны, лампы обратной волны.

Незатухающие колебания от резонатора передаются в нагрузку, но часть их энергии поступает на активный элемент через цепь обратной связи для синхронизации дополни-

тельных колебаний с существующими. Обязательный состав автогенератора представлен на рис.11.1.

74

Рис.11.1. Структурная схема автогенератора

Кроме перечисленных частей, в автогенератор должен быть включен нелинейный эле-

мент, задача которого - ограничение амплитуды колебаний при их нарастании и установ-

ление стационарного режима работы. Как правило, роль нелинейного элемента выполняет активный элемент.

11.2.Транзисторные автогенераторы гармонических колебаний

Если частота автоколебаний не превышает нескольких гигагерц, в качестве активных элементов автогенератора применяют биполярные транзисторы структуры n - p - n. Более высокочастотные автогенераторы строят на полевых транзисторах с барьером Шоттки

(MESFET) либо на полевых транзисторах с гетеропереходом (HEMT).

Наиболее часто применяемая схема автогенератора на биполярном транзисторе - ем-

костная трехточка, или схема с емкостной обратной связью (рис.11.2). Она имеет две раз-

новидности: схема Колпитца и схема Клаппа. Обратная связь образуется благодаря тому,

что напряжение с части емкости контура, включенного между коллектором и эмиттером транзистора, поступает на базу транзистора.

Рис.11.2. Эквивалентные схемы транзисторных автогенераторов, справедливые для переменного тока: а - схема Колпитца; б - схема Клаппа

75

Резонатор в схеме Колпитца образован индуктивностью L1 и емкостями С1 и С2. В ин-

дуктивную ветвь схемы Клаппа добавлена емкость C3, которая, не меняя индуктивный ха-

рактер ветви, дает возможность дополнительной оптимизации режима работы автогенера-

тора. Полная электрическая схема автогенератора, выполненного по схеме Колпитца,

приведена на рис.11.3.

Рис.11.3. Электрическая схема автогенератора

В схему добавлены цепь питания и смещения транзистора, содержащая источник по-

стоянного напряжения E, сопротивление R1, обеспечивающее напряжение смещения на базе транзистора, блокировочное сопротивление R2 и разделительную емкость C3.

11.3. Баланс фаз в транзисторном автогенераторе

При включении источника питания в контуре возникает колебательный переходный процесс:

uк(0) (t) Uк(0) cos 0t ,

где - начальная амплитуда колебаний напряжения на контуре; 0 - собственная час-

тота контура.

Возникшие колебания вызывают волну, распространяющуюся по замкнутому кольцу автогенератора, состоящего из контура, цепи обратной связи и транзистора. Благодаря действию обратной связи появляются колебания напряжения на базе

uб (t) Uб cos( 0t o.c) ,

где о.с - запаздывание фазы колебаний в цепи обратной связи.

Колебания напряжения на базе вызывают колебания коллекторного тока: iк(t) = Iк cos( 0t o.c s ) .

76

Здесь s - запаздывание фазы колебаний в транзисторе.

Коллекторный ток, проходя по контуру, создает на нем вторичные колебания напря-

жения:

uк(t) = Uк cos( 0t o.c s к ) ,

где к - фазовый сдвиг между колебаниями коллекторного тока и напряжения на контуре.

Вторичные колебания uк(t) суммируются с начальными . Если оба колебания синфазны, амплитуда суммарных колебаний увеличивается, происходит процесс самовоз-

буждения. Итак, для возбуждения колебаний в резонаторе автогенератора должно быть вы-

полнено условие

где n = 0, 1, 2, 3, …

Условие (11.1) называют балансом фаз в транзисторном автогенераторе.

11.4. Условия самовозбуждения

Для самовозбуждения колебаний, помимо баланса фаз, должно быть выполнено усло-

вие нарастания амплитуды колебаний при обходе волны колебаний по замкнутому кольцу автогенератора. Для связи амплитуд колебаний напряжений и тока транзистора вводятся

следующие параметры автогенератора:

• коэффициент обратной связи по напряжению:

Кроме того, используется импеданс колебательного контура, включенного между

Указанные параметры автогенератора связывают комплексные амплитуды колебаний и сами являются комплексными числами, которые можно записать в показательной фор-

ме:

Ko.c Ko.ce i o.c , S1 S1e i s , Zк Zкe i к .

Если начальное смещение на базе установлено на линейном участке переходной ха-

рактеристики, то при возбуждении колебаний амплитуда коллекторного тока связана с амплитудой напряжения на базе соотношением:

77

где S - крутизна переходной характеристики транзистора.

Используя (11.2), (11.4) и (11.5), запишем выражение для амплитуды колебаний на контуре после прохождения волны по замкнутому кольцу автогенератора:

Uк SKo.cZкUк(0) .

Для возбуждения колебаний нужно, чтобы амплитуда вторичных колебаний была

Выражение (11.6) справедливо для случая, когда начальное смещение установлено на линейном участке переходной характеристики. Итак, для самовозбуждения колебаний нужно выполнить два условия - баланс фаз (11.1) и выражение (11.6).

11.5. Ограничение амплитуды колебаний

Амплитуда колебаний растет до тех пор, пока не начинает действовать механизм ее ог-

раничения. В результате рост амплитуды замедляется и, в конце концов, устанавливается стационарный режим работы автогенератора, т.е. режим постоянной амплитуды и частоты колебаний. Ограничение амплитуды обусловлено наличием нелинейности в составе автоге-

нератора. В транзисторном автогенераторе определяющую роль играет нелинейность пере-

ходной характеристики транзистора (в биполярном транзисторе переходная характеристика

- это зависимость коллекторного тока от напряжения на базе). Амплитуда ограничивается,

когда коллекторный ток и напряжение на базе выходят за пределы линейного участка пере-

ходной характеристики.

Возможны следующие механизмы ограничения амплитуды колебаний в автогенера-

торе.

1. Ограничение амплитуды первой гармоники тока коллектора. Если начальное на-

пряжение смещения на базе транзистора установлено на линейном участке переходной характеристики (см. рис.6.3,а), то при возрастании амплитуды напряжения на базе коле-

бания тока коллектора искажаются - появляются уплощения снизу или сверху. Обычно начальное смещение устанавливается на линейном участке ближе к нижнему загибу пере-

ходной характеристики. В этом случае при гармонической форме напряжения на базе кол-

лекторный ток приобретает вид импульсов с отсечкой, как в нелинейном усилителе мощ-

ности.

На рис.11.4 показаны зависимости от времени напряжения на базе и коллекторного тока в автогенераторе, полученные при моделировании в программе Microwave Office. С увели-

78

чением амплитуды напряжения рост амплитуды первой гармоники тока замедляется и, в

конечном итоге, устанавливается режим постоянной амплитуды.

Рис.11.4. Напряжение на базе (а) и коллекторный ток (б) транзистора

вавтогенераторе при ограничении амплитуды тока

2.Ограничение амплитуды первой гармоники напряжения на базе. При установлении начального смещения не на линейном участке переходной характеристики, а на ее нижнем изгибе возможен другой механизм ограничения амплитуды колебаний. При гармонической форме коллекторного тока в напряжении на базе появляются верхние уплощения и рост ам-

плитуды первой гармоники напряжения отстает от роста амплитуды тока. Для этого случая зависимости от времени напряжения на базе и тока коллектора, полученные при моделирова-

нии, показаны на рис.11.5.

Рис.11.5. Зависимости от времени коллекторного тока (а) и напряжения на базе транзистора (б) при ограничении амплитуды напряжения

Следует отметить, что в большинстве случаев действует механизм ограничения ам-

плитуды колебаний, связанный с отсечкой коллекторного тока.

11.6. Стационарный режим колебаний

Стационарный режим работы автогенератора - это режим постоянной частоты и ам-

плитуды колебаний. Если условия самовозбуждения выполнены и начал действовать ме-

ханизм ограничения амплитуды, устанавливается стационарный режим работы. При этом

79

соотношения между амплитудами напряжений и тока транзистора определяются выраже-

ниями (11.2) - (11.4). Волна колебаний, проходящая по замкнутому кольцу автогенерато-

ра, не вызывает увеличения амплитуды, поэтому в стационарном режиме работы выпол-

няется соотношение

называется «баланс амплитуд».

В стационарном режиме работы автогенератора колебания должны быть устойчивы.

Это означает, что при малых изменениях частоты и амплитуды (в силу каких-либо при-

чин) они должны возвращаться к прежним значениям стационарного режима. Для устой-

чивости стационарного режима работы автогенератора должны быть выполнены следую-

щие условия [1]:

• модуль средней крутизны транзистора должен падать при увеличении амплитуды колебаний напряжения на базе

где производная берется при амплитуде стационарного режима работы;

• резонатор в точках коллектор - эмиттер транзистора должен иметь параллельный ре-

зонанс.

Выражение (11.9) выполняется, если начальное смещение на базе транзистора уста-

новлено на линейном участке переходной характеристики и ограничение амплитуды ко-

лебаний происходит за счет отсечки коллекторного тока.

Возможен другой вариант условий устойчивости стационарного режима колебаний:

(производная взята при амплитуде стационарного режима);

• резонатор имеет последовательный резонанс в точках коллектор - эмиттер транзи-

стора.

Второй вариант условий устойчивости может быть реализован, если начальное смещение на базе транзистора установлено на нижнем сгибе переходной характеристики и ограничение колебаний происходит путем ограничения амплитуды напряжения.

80