Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Схемотехника аналоговых электронных устройств. Основные понятия, обратные связи, работа усилительного элемента в схеме. Учебное пособие
.pdf
Е
E
f
R
R
E
ШУМЫ РЕЗИСТОРОВ
Шумы непроволочных постоянных резисторов имеют две составляющие: тепловые шумы и фликкер-шумы.
Тепловые шумы комплексного сопротивления Z = R + jX в узкой
полосе частот Δf, в пределах которой сопротивление R остается постоянным, определяется формулой
где
1, 38 10 Дж/Кk
температура;
23
– среднеквадратичное значение шумовой ЭДС.
шт
2
шт
4EkTR f
, (3.14)
– постоянная Больцмана; Т – абсолютная
Непроволочные резисторы кроме тепловых обладают еще и фликкер-шумами
k
где
– ток через сопротивление;
I
нескольких мегагерц,
2
шф
2k
; n – несколько больше двух; A – коэффи-
mk
AfI
, (3.15)
R
1m
в интервале от долей герца до
циент, зависящий от материала, технологии изготовления и мощности
резистора. В области низких частот при токе, соответствующем допустимой рассеиваемой на резисторе мощности, фликкер-шумы могут
превышать напряжение тепловых шумов на 2...3 порядка. Эквивалентная шумовая схема непроволочного резистора показана на рис. 3.9, где
EEE
шштшфR
22
, (3.16)
поскольку тепловые и фликкер-шумы не коррелированы.
IER
шш
R
RR
/
1/GR
ш
а б
Рис. 3.9. Эквивалентная шумовая схема
непроволочного резистора с генератором
ЭДС (
а) и генератором тока (б)
31
F
K
R
В переменных резисторах кроме тепловых и фликкер-шумов возникают дополнительные шумы за счет несовершенства подвижного
контакта. Эти шумы проявляются не только при движении (вращении)
ползунка, но и при фиксированном его положении. Причем шумы контакта значительно превосходят шумы резистивного слоя как проволочных, так и непроволочных переменных резисторов.
Таким образом
, при проектировании малошумящей низкочастот-
ной аппаратуры необходимо во входных цепях использовать по возможности низкоомные постоянные проволочные резисторы, которые
генерируют только тепловые шумы.
ШУМЫ ТРАНЗИСТОРОВ
Для количественной оценки шумов УЭ (и усилителя в целом) чаще
всего используют коэффициент шума
– отношение полной мощ-
ш
ности шумов (от всех возможных источников шума) на выходе УЭ
(или на выходе усилителя)
к той ее части, которая обусловлена
Р
2ш
шумами источника сигнала:
/ F РР
ш 2ш 2шс
, (3.17)
где
2
4
kTR f
1с
Р
2шc
e
R
2н
(3.18)
– тепловые шумы источника сигнала, пересчитанные на выход;
,
1c 2н
– сопротивления источника сигнала и нагрузки.
R
Коэффициент шума чаще всего выражают в децибелах,
10logNF
шш
. (3.19)
Для идеального (нешумящего) УЭ
, 1 и 0 дБРРFN
2шΣ 2шс ш ш
.
Для снижения уровня шума и повышения отношения сигнал/шум
необходимо во входном каскаде усилителя использовать малошумящие УЭ.
32
R
R
R
I
I
Кремниевые ПТ с управляемым р–n-переходом на частоте 1 кГц
имеют коэффициент шума от 0,3 до 0,5 дБ, у БТ (даже малошумящих, типа КТ371 или КТ382) коэффициент шума значительно выше
(2…3 дБ).
В справочниках приводится значение коэффициента шума для комнатной температуры (25 °С), определенного значения сопротивления
генератора
(600 Ом для БТ и 1 МОм для ПТ) для конкретного ре-
Г
жима по постоянному току на частотах от 1 кГц до сотен мегагерц. Для
получения малого коэффициента шума необходимо, чтобы напряжение питания не превышало нескольких вольт, а ток в рабочей точке
составлял 1…3 мА, a
RR
ГГ опт
.
В связи с тем что коэффициент шума представляет собой меру
сравнения шума УЭ с тепловым шумом некоторого (по существу, произвольного) сопротивления, он очень зависит от величины этого сопротивления (от сопротивления источника сигнала), что является существенным недостатком этого параметра. Этот недостаток не позволяет непосредственно использовать приводимую в
чину коэффициента шума, измеренную для стандартизованного
при расчете усилителей, у которых реальная величина
справочниках вели-
Г
отличается
Г
от справочной. Пренебрежение этим обстоятельством может привести
к значительной ошибке при оценке чувствительности усилителя. Поэтому наряду с коэффициентом шума для оценки шумовых свойств УЭ
используют параметры его формальной шумовой эквивалентной схемы. В этом случае реальный УЭ заменяется идеальным (нешумящим),
а его шумы описываются двумя шумовыми генераторами тока
или
напряжения, действующими на внешних зажимах УЭ. Один из вариантов такой схемы показан на. рис. 3.10.
ш1
<<
УЭ
<<
1
2 1
ш2
2
Рис. 3.10. Формальная шумовая эквивалентная схема УЭ
,
Коррелированные генераторы тока
, II
ш1 ш2
являются собственны-
ми (автономными) шумовыми параметрами УЭ, их величина не зави-
33
R
сит от условий на входе. С их помощью можно рассчитать как собственный уровень шумов УЭ при любом
, так и его коэффициент
Г
шума при тех же условиях.
ДРЕЙФ
Дрейф служит основным источником погрешности в УПТ. Он про-
является в самопроизвольном изменении выходного напряжения (тока)
при неизменном или равном нулю входном напряжении (токе).
Причины дрейфа: изменение температуры, напряжения питания,
старение УЭ, низкочастотные шумы и др. Наибольшую нестабильность вносит температурный фактор. Положение осложняется наличием в УПТ гальванической связи между
каскадами, хорошо передающей медленные изменения сигнала, что приводит к эффекту каскадирования температурных нестабильностей каскадов от входа к выходу.
С целью снижения дрейфа нуля в УПТ используются: глубокие
ООС, термокомпенсирующие элементы; преобразование постоянного
тока в переменный, его усиление и последующее детектирование (УПТ
с преобразованием); построение входных каскадов по балансной
(дифференциальной) схеме.
Величину этой погрешности принято оценивать по приведенному
(пересчитанному) ко входу напряжению или току дрейфа.
3.10. АМПЛИТУДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН
Амплитудной характеристикой (АХ) усилителя называют зависи-
мость амплитудного или действующего значения его выходного
напряжения от синусоидального входного напряжения (рис. 3.11). От-
клонение реальной АЧХ от идеальной (штриховая линия, проходящая
через начало координат) в области малых входных напряжений объясняется наличием внутренних помех усилителя с уровнем
. Откло-
U
п
нение же АХ от идеальной в верхней ее части обусловлено перегрузкой нелинейных элементов схемы (УЭ, трансформаторов, диодов и
др.), что приводит к нарушению линейной зависимости между амплитудами входного и выходного напряжения. На участке от
реальная и идеальная АХ совпадают и коэффициент усиления
U
1max
/KUU
на этом участке есть величина постоянная. Если
21
34
UU
до
U
1min
11max
,
D
то возникают значительные нелинейные искажения, а коэффициент
усиления падает (зависимость параметра системы, в данном случае
коэффициента усиления, от уровня
сигнала – это признак нелинейности). При
UU
11min
полезный сиг-
нал маскируется внутренними помехами усилителя. Поэтому вводят
такое понятие, как динамический
диапазон усилителя:
U
1max
1min
, (3.20)
Рис. 3.11. Амплитудная
характеристика
20log
DU
у
где
– максимальное входное
U
1max
напряжение, при котором искажения сигнала достигают предельно
допустимого значения;
– минимальное напряжение на входе
U
1min
усилителя, при котором обеспечивается заданное превышение полезного сигнала a над шумами усилителя
U
, т. е.
п
UU
20log 20log 20log
. (3.21)
у
1max 1max
UU
1min п
a
Можно динамический диапазон оценивать и по выходу усилителя:
U
35
U
2max
. (3.22)
2min
ди-
сmax
. (3.23)
сmin
20log
DU
у
Аналогично динамическому диапазону усилителя вводят понятие
намического диапазона сигнала
:
20log
DU
c
P
P
P
P
Z
Для качественной работы усилителя необходимо выполнение нера-
венства
DD
у c
.
Если это условие не выполняется, то динамический диапазон сигнала
сжимают с помощью ручной или автоматической регулировки усиления.
3.11. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
Различают промышленный коэффициент полезного действия
(КПД) и КПД выходной цепи УЭ.
Промышленный КПД представляет собой отношение номинальной
выходной мощности к суммарной мощности, потребляемой всеми цепями усилителя от всех источников питания:
η /PP
Σ 20
. (3.24)
КПД же выходной цепи УЭ учитывает только мощность, потребляемую этой цепью
, т. е.
0
η /
20
. (3.25)
P
КПД применяется для оценки экономичности оконечных каскадов
как основных потребителей энергии источника питания.
3.12. ВХОДНЫЕ И ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
К выходным параметрам усилителя относят номинальную выход-
ную мощность
, определяемую при условии, что коэффициент гар-
2
моник не превышает максимально допустимого.
Кроме
ходное напряжение
ческих сигналов или амплитуда импульсных сигналов
сопротивление нагрузки
выходными параметрами могут быть номинальное вы-
2
U
– среднеквадратическое напряжение гармони-
2
, а также
U
2 m
()
и выходное сопротивление
Z
н 2
Z
.
вых
В области средних частот выходное сопротивление можно считать
активным (резистивным). При работе усилителя на согласованный
36
Z
Z
R
R
R
R
коаксиальный кабель
R
должно равняться волновому сопротивле-
вых
нию кабеля (чаще 75 Ом), чтобы избежать отражений, искажающих
форму импульсов.
Для УЗЧ желательно, чтобы выходное сопротивление было как
можно меньше. Это подавляет (демпфирует) собственные колебания
подвижной системы громкоговорителя и ослабляет зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки.
К входным параметрам относят ЭДС источника сигнала
его выходное (внутреннее) сопротивление
ление усилителя
. В большинстве случаев
вх
ставлено в виде параллельного соединения
стремятся получить большее
и малое
вх
ZZ
С
, входное сопротив-
c
1
может быть пред-
вх
и
С
вх
. Однако если сигнал на
вх
. Как правило,
вх
EE
1c
вход подается через коаксиальный кабель, то для согласования с ним
требуется
усилитель тока, то требуется
, равное волновому сопротивлению кабеля. Если у нас
вх
вх с
.
R
,
37
4. РАБОТА УСИЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА В СХЕМЕ
4.1 МОДЕЛИ ТРАНЗИСТОРОВ
4.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
При анализе АЭУ, составной частью которых является транзистор,
последний представляется соответствующей моделью. Формы представления могут быть различными. Основная –
лентная схема,
состоящая из активных (управляемых генераторов тока
и напряжения) и пассивных (сопротивлений, емкостей и индуктивностей) двухполюсников. Кроме того, в системах автоматизированного
схемотехнического проектирования применяют математические модели транзисторов.
Математической моделью называют систему урав-
нений, описывающих физические процессы в приборе, представленную в форме, допускающей ее объединение в математическую модель
устройства.
В курсе САЭУ рассматриваются только модели в виде эквивалент-
ных схем. Основные характеристики модели – это
версальность
и сложность.
Точность модели прибора, т. е. степень соответствия прибора и его
модели, оценивается только с точки зрения точности функционирования электронного устройства в целом.
Степень
универсальности модели определяется ее применимостью
к анализу более или менее широкого класса схем.
Сложность модели ограничена затратами времени на анализ уст-
ройств, а также наличием информации о значениях ее параметров.
Противоречивость требований высокой точности и универсальности, с одной стороны, и простоты, – с другой очевидна. Тем более если
речь идет моделях, используемых при ручных методах анализа. По
степени универсальности модели полупроводниковых приборов подразделяют на
сигналов, низкочастотные
статические и динамические, для малого и большого
и высокочастотные.
Наиболее точная и универсальная, но и наиболее сложная – это
намическая высокочастотная модель большого сигнала
электрическая эквива-
ее точность, уни-
ди-
(например,
38
модель Эберса–Молла или Гуммеля–Пуна для БТ), которая имитирует
работу УЭ в диапазоне частот при любом уровне сигнала, не превышающем предельно допустимого для данного типа усилительного элемента (УЭ).
Определяющие факторы в классификации моделей – это
амплитуд
и полоса частот сигналов, для которых предназначен моде-
диапазон
лируемый УЭ. В зависимости от диапазона амплитуд сигнала различают модели
моделям, а вторые – к линейным. По полосе частот (или скорости
ным
изменения сигнала) модели подразделяются на
большого и малого сигнала. Первые относятся к нелиней-
статические и дина-
мические.
Малосигнальные (линейные) динамические модели используются при
анализе АЧХ, ФЧХ и ПХ устройства при малом (по сравнению с постоянными напряжениями и токами в рабочей точке) уровне сигнала.
Статические модели, т. е. модели, не содержащие реактивных эле-
ментов, применяют при расчете режимов УЭ и статических параметров устройства в целом.
В дальнейшем речь будет идти только
ческих моделях
, работающих в нормальном активном режиме в диа-
о малосигнальных динами-
пазоне умеренно высоких частот.
По способу построения различают
. Физическая модель строится на основе рассмотрения физики про-
ли
физические и формальные моде-
исходящих в УЭ процессов. Каждый элемент физической модели моделирует тот или иной физический процесс. Достоинствами физической модели (при полной ясности физических процессов) являются ее
наглядность, точность, физическая обоснованность. Недостатками –
сложность, трудность экспериментальной оценки ее параметров.
Формальные модели строят на основе представления УЭ в виде ли-
нейного активного трехполюсника. Исследуя реакцию трехполюсника
на внешние сигналы, находят четыре в общем случае комплексных параметра, полностью описывающих свойства данного УЭ. На основе
этих параметров, называемых внешними или характеристическими, и
строится формальная модель УЭ. К достоинствам такой модели следует отнести ее
универсальность (внешний вид модели одинаков для биполярного и полевого транзисторов, лампы, ОУ с одиночным входом и
одиночным выходом), простоту, возможность применения при анализе
активных схем обобщенного метода узловых потенциалов и метода
четырехполюсника. Параметры формальной модели относительно
просто можно измерить.
39
y
y
Знание физической и формальной модели одного и того же УЭ
позволяет получить основные расчетные параметры этого элемента.
4.1.2. ФОРМАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ УЭ
В режиме слабого сигнала УЭ
рассматривается как «черный ящик»
(рис. 4.1), имеющий три внешних
полюса (вывода), например, БТ –
базу, эмиттер и коллектор. Для конкретной схемы включения один из
выводов заземляется и является общим для входной и выходной цепи.
Свойства такого линейного трехполюсника полностью описываются
Рис. 4.1. Трехполюсный УЭ
системой из двух линейных
уравне-
ний. Форма записи этих уравнений
зависит от того, какие из токов или напряжений принимают за независимые переменные. Чаще всего за независимые переменные берутся
входное и выходное напряжения:
IyUyU
1111122
U
I
2211222
,
(4.1)
U
,
или в матричной форме
yy
IU
где
, , , IIUU
12 1 2
напряжений;
11
IU
22
– комплексные амплитуды сигнальных токов и
, , , yy y y
11 12 22
21
11 12
yy
21 22
, (4.2)
– комплексные проводимости, имею-
щие определенный физический смысл.
Из (4.1) следует, что:
1111 2
/ при 0yIU U
– входная проводимость УЭ в режиме
короткого замыкания (КЗ) на выходе;
12 1 2 1
/ при 0yIU U
– проводимость обратной передачи УЭ
в режиме КЗ по входу;
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]