книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

Рис. 1.9.

Таким образом,' расчет эффективной э.д.с. шумов колеба­ тельного контура можно производить по общей формуле (1.3) для шумов сопротивления, считая источником шума эквива­ лентное резонансное сопротивление контура Rsk-

§ 1.6. Шумы антенны

Антенна принимает тепловое излучение окружающей среды так же, как она принимает излучение полезного сигнала. Теп­ ловое излучение среды вызывает появление в антенне э.д.с. теплового шума, которая, как и э.д.с. сигнала, пропорциональ­ на сопротивлению излучения.

Под тепловым излучением окружающей среды понимается излучение всех окружающих антенну объектов в том числе атмосферы, звезд, солнца и т. д.

Кроме того, активное сопротивление антенны обусловли­ вает наличие еще одного источника шумов.

Шумовая э.д.с., наводимая в антенне, определяется с уче­ том указанных источников шумов и выражается известной формулой (1.3):

где 7д — эффективная шумовая абсолютная темпера­ тура антенны,

* а= Яе + /? а — входное активное сопротивление антенны. В большинстве практических случаев для ч ас т о т /^ 100 Мгц

эффектйвная шумовая температура антенны близка к темпе­ ратуре окружающего пространства (Т). Поэтому в расчетах ■обычно принимают 7д = Т.

§ 1.7. Шумы в разветвленных цепях

Расчеты шумовых напряжений и токов в разветвленных цепях удобно производить, заменяя шумящие элементы экви­ валентными схемами, состоящими из тех же, но уже нешумящнх элементов и соответствующих генераторов шумов. Сопро­ тивление (рис. 1.10,а) можно представить эквивалентной схе­ мой (рис. 1.10,6), в которой последовательно с нешумящим ■сопротивлением включается генератор напряжения шумов. Эффективная э.д.с. генератора шумов определяется в соответ­ ствии с (1.3).

РИС. 1Л 0::

Шумящее сопротивление можно заменить также эквива­ лентной схемой с генератором тока (рис. 1.10,в). Эффективное

.значение тока определяется, как обычно, из выражения

Расчет шумовых напряжений и токов в более сложных -цепях, состоящих из нескольких активных сопротивлений, удобно производить, представляя их в виде эквивалентных шумовых схем. В случае расчета цепи с последовательно сое- „диненцыми , сопротивлениями, более удобна замена шумящих чсопротивлений эквивалентными схемами с генератором э.д.с.,

21

при параллельном соединении более удобными оказываются’, эквивалентные схемы с генератором тока.

В качестве примера на рис. 1.11,а представлена цепь, от­ стоящая из двух последовательно соединенных сопротивлений

Рис. 1.11.

Таким образом, квадрат эффективного значения э.д.с. шу­ мов на зажимах последовательно соединенных сопротивлений,, полоса шумов и температура которых одинаковы, равен сум­ ме квадратов эффективных э.д.с. шумов этих сопротивлений.

При расчете цепи, состоящей из нескольких параллельных сопротивлений, удобно пользоваться эквивалентными схемами с генератором тока.

На рис. 1.12,а приведена цепь, состоящая из двух парал­ лельных сопротивлений. Эквивалентная шумовая схема цепи; изображена на рис. 1.12,6.

Шумовые токи отдельных генераторов находятся по извест­ ным формулам:

V = '4k TG1Д /ш; V = 4k TG2Д /ш.

Общий суммарный шумовой ток можно найти следующим образом.

22

Суммарная проводимость цепи

G s ^ G j- f G2j

поэтому квадрат суммарного тока шумов в случае, когда полоса шумов и температура обоих сопротивлений одинаковы, равен

а

Рис. 1.12.

Следовательно, квадрат общего тока шумов разветвленной цепи равен сумме квадратов токов отдельных ветвей. Форму­ лы (1.21), (1.22) справедливы и в том случае, если полоса -шумов и температура сопротивлений различны.

§1.8. Шумы электронных ламп

1.Шумы диода.

Величина и характер изменения тока диода во времени в основном зависит от величины и характера изменения на­ пряжения на электродах. В частном случае, когда последова­ тельно с диодом включен источник постоянной э.д.с. Е (рис. 1.13), по показаниям амперметра, включенного в анод­ ную цепь диода, можно установить, чДо ток диода также' яв­ ляется постоянным (рис. 1.14). Однако следует иметь в виду, что амперметр обладает известной инерционностью и не реа­ гирует на быстрые, кратковременные изменения тока диода, сглаживает их и показывает усредненное значение тока. По­ этому по показаниям инерционного амперметра еще нельзя окончательно судить о том, изменяется ли мгновенное значе­ ние тока диода, или остается постоянным.

В действительности ток диода, даже при постоянной э.д,с. источника не остается постоянным. В этом можно убедиться, если последовательно в цепь диода включить активное сопро­ тивление, а напряжение с него, пропорциональное току дио­

23

да, подать на осциллограф с быстрой разверткой. На экране осциллографа появится переменная составляющая тока диода, мгновенное значение которой носит случайный характер. Мож­ но заметить, таким образом, флюктуации анодного тока диода.

Рис. 1.14.

Случайные отклонения анодного тока диода от среднего, постоянного значения объясняется тем, что в равные достаточ­ но короткие промежутки времени на анод поступает неодина­ ковое количество электронов. Причиной неравномерности по­ ступления электронов на анод является неравномерность вы­ лета электронов из катода — число электронов, покидающих катод в течение равных промежутков времени, случайно ме­ няется. Это обстоятельство и вызывает случайные колебания анодного тока.

24

Неравномерность вылета электронов из катода, так назы­ ваемый дробовой эффект, объясняется., в свою очередь, тепло­ вым движением электронов в объеме катода, которое харак­ теризуется случайным изменением величины и направления 'Скоростей электронов.

t

Рис. 1.15.

Случайное изменение во времени, величины скоростей электронов вызывает случайное изменение числа электронов, одновременно обладающих энергией, достаточной для выхода из катода и, следовательно, вызывает случайное изменение Числа электронов одновременно покидающих катод. Флюктуа­ ции анодного тока диода, обязанные дробовому эффекту, на­ зывают дробовым шумом диода.

Вследствие дробового эффекта на постоянную составляю­ щую тока диода накладывается шумовая переменная состав­ ляющая, квадрат действующего значения которой в режиме насыщения диода выражается следующей зависимостью:

ным току насыщения и эффективной полосе шумов, Которые определяются экспериментально. .

В режиме насыщения, когда отсутствует пространственный ■заряд. вблизи катода, флюктуации тока диода оказываются максимальными. В режиме, близком к запиранию, пространст­ венный заряд оказывает сглаживающее действие на флюктуа­ ции тока диода и действующее значение шумовой составляю­ щей этого тока оказывается меньше, чем. в режиме насыще­

.2 5

где Л — постоянная составляющая тока диода.

В промежуточном режиме работы диода, отличном от ре­ жимов, близких к запертому состоянию или к насыщению, необходимо учитывать степень сглаживающего действия про­

странственного заряда.

Пространственный заряд создает для электронов, покидаю­ щих катод, тормозящее поле, преодолеть которое способны только электроны, обладающие достаточно высокой начальной скоростью. Случайное увеличение эмиссии катода ведет к уве­ личению пространственного заряда и, следовательно, тормозя­ щего поля. Это вызывает относительное уменьшение числа электронов, достигающих анода. Таким образом, наблюдается своеобразное автоматическое сглаживание флюктуаций анод­ ного тока под действием пространственного заряда.

является неравномерность пролетного времени электронов, обусловленная случайным характером величины и направле­

26

ния их начальных скоростей. Однако эта составляющая шу­ мов диода мала и обычно не учитывается.

2. Шумы триода.

Причинами флюктуаций анодного тока триода являются: дробовой эффект, т. е.' неравномерность вылета электронов из катода; случайный характер изменения пролетного времени электронов и неравномерность распределения общего элек­ тронного потока между анодом и сеткой. Неравномерность пролетного времени в триодах, в отличие от диодов, вызывает заметные шумы, которые учитываются при расчетах как шу­ мы входного сопротивления лампы.

Шумы триода, обусловленные неравномерностью пролет­ ного времени, называются наведенными шумами. Известно, что время пролета электронов в пространстве между катодом и сеткой, а также между сеткой и анодом в диапазоне СВЧ становится соизмеримым с периодом высокочастотных колеба­ ний. Вследствие этого в цепи сетки появляется наведенный ток,, имеющий активную и реактивную составляющие. Появле­

по величине, так и по направлению случайно меняется во вре­ мени. Поэтому меняется пролетное время электронов, а это. вызывает случайное изменение наведенного в цепи сетки тока, т. е. флюктуацию наведенного тока.

Появление входного сопротивления лампы, наряду с дру­ гими причинами, связано с появлением наведенного в цепи сетки тока. Поэтому наведенный шумовой ток можно рас­ сматривать, как шумовой ток входного сопротивления, кото­ рый создает на нем э.д.с. шумов. Эффективное значение этой э.д.с. определяется по формуле Найквиста:

где Тт = $Т — эквивалентная температура входного сопро­ тивления, т. е. такая температура, при которой активное со­ противление, равное 7?ах, имеет э.д.с. шумов, равную той, кото­ рая действует в цепи сетки лампы.

Здесь следует заметить, что инерция электронов не являет­ ся единственной причиной появления входного сопротивления. Другой причиной является обратная связь через индуктив­ ность катодного ввода LK, которая приводит к появлению

2Т

в цепи сетки напряжения, обусловленного протеканием анод­ ного тока через LK. Так как анодный ток, вследствие дробо­ вого эффекта, флюктуирует, то и напряжение в цепи сетки, появившееся за счет обратной связи, также флюктуирует. Эти флюктуации учитываются в выражении (1.27,а) как шумы входного сопротивления.

Составляющая шумов входного сопротивления, обязанная наличию обратной связи, связана (коррелирована) с дробо­ вым шумом лампы. Однако по сравнению с наведенным шу­ мом она составляет малую долю, поэтому шум входного со­ противления в первом приближении можно считать несвязан­ ным, некоррелированным с дробовым шумом.

Неравномерность распределения общего электронного по­ тока в приемно-усилительных триодах, работающих с отри­ цательной сеткой, проявляется незначительно и обычно не учи­ тывается.

Учет составляющей дробового шума, триода производится следующим образом.

Анодный ток триода зависит от двух напряжений: от на­ пряжения на сетке и напряжения на аноде, т. е.

к = f ( u B, Мд).

Действие обоих напряжений можно заменить эквивалент­ ным действием управляющего напряжения, которое считать приложенным либо к сетке, либо к аноду триода.

Тогда

к = Л («д — Dut),

или.

к J 2 (Ма Р*Мд),

где D — проницаемость триода,

И- — статический коэффициент усиления лампы. Подобное представление'позволяет перейти от триода к эк­

вивалентному диоду и записать выражение для эффективного

Здесь 5. — крутизна статической характеристики триода, Л — анодный ток лампы в выбранном режиме; работы.

-.28

Далее шумовой анодный ток триода можно представить себе как результат действия в цепи сетки некоторой фиктив­ ной шумовой э.д.с. Ешяр> которая создается на фиктивном шумовом сопротивлении (Rm ), включенном вцепь сетки. Тогда

Приравнивая правые части (1.27) и (1.29) с учетом (1.28), получим:

4kTRwS = 0,22 е,

или, после преобразований и подстановки значений постоян­ ных величин, найдем:

Последнее выражение дает несколько заниженные резуль­ таты по сравнению с экспериментальными данными, поэтому при расчетах пользуются следующим соотношением:

Шумовое сопротивление является одним из основных пара­ метров лампы. Оно приводится в ее паспортных данных.

Введением шумового сопротивления лампы Rm или э.д.с. дробового шума Е шдр по существу производится пересчет шумов лампы в цепь сетки (лампа при этом становится не­ шумящей).

3:Шумы многосеточных ламп.

Вмногосеточных лампах сохраняют свое значение описан­ ные выше причины флюктуаций анодного тока триодов. Здесь имеет место дробовой шум и шум входного сопротивления

или, что то же, флюктуации тока, наведенного в цепи сетки, вследствие инерции электронов. Однако в многосеточных лампах заметное значение имеют также и флюктуации анод­ ного тока, которые появляются за счет перераспределения электронного потока в лампе.

Тетроды, пентоды и другие многосеточныё лампы имеютсетки, на которые подается положительное напряжение отно­ сительно катода. Это обстоятельство приводит к перераспре­ делению общего электронного потока между электродами

29'