тельно, характерные для области малых времен быстрые процессы, протекающие в усилителе, адекватны быстрым изменениям выходного напряжения, происходящим на высоких частотах. Такую же аналогию можно провести между медленными изменениями переходной характеристики в области больших времен и медленными изменениями выходного сигнала в области низких частот.

1.4.7. Помехи и собственные шумы в АЭУ

Для любого реального усилителя (или построенного на его основе АЭУ) характерно наличие на выходе некоторого напряжения (сигнала) даже при отсутствии полезного сигнала на его входе. Это напряжение является следствием собственных помех, существующих в цепях АЭУ. Причины возникновения собственных помех: фон, наводки, микрофонный эффект, тепловые шумы и шумы усилительных элементов.

Фоном называется появление на выходе АЭУ переменного напряжения с частотой, равной или кратной частоте питающей сети. Основной причиной появления фона служит недостаточно хорошее сглаживание выпрямленного напряжения питания. Для борьбы с фоном в цепях питания АЭУ приходится использовать сложные стабилизированные источники питания и сглаживающие фильтры, что обычно существенно увеличивает стоимость аппаратуры.

Наводкой называется появление на выходе АЭУ мешающего сигнала, вызванное посторонними источниками помех, чьи электромагнитные поля влияют на цепи АЭУ (особенно входные). В качестве таких источников могут служить другие усилители, генераторы, трансформаторы, электродвигатели, электрические разряды и т.д. Уменьшение влияния наводок достигается экранированием как отдельных цепей АЭУ (особенно входных цепей и первых усилительных каскадов), так и полностью всего АЭУ.

Микрофонный эффект возникает при воздействии на АЭУ вибраций, ударов, сотрясений и объясняется недостаточно жестким креплением элементов схемы при монтаже. Механические воздействия на АЭУ приводят к изменению положения его деталей друг относительно друга и, следовательно, к изменению электромагнитных полей и появлению паразитных токов.

Флуктуационное движение электронов в проводнике, вызванное отличием его температуры от абсолютного нуля, может рассматриваться как флуктуационный электрический ток, приводящий к появлению на концах этого провод-

31

ника шумовой ЭДС, действующее значение которой определяется формулой Найквиста:

где k - постоянная Больцмана, равная 1,38710-23 Дж/К; Т - абсолютная температура;

∆f - анализируемая полоса частот; R - шумящее сопротивление.

Таким образом, любая электрическая цепь, обладающая активным сопротивлением, является источником теплового шума с равномерным спектром (белый шум) в диапазоне частот от нуля до бесконечности. Следовательно, активное сопротивление R может быть представлено эквивалентным шумовым генератором с ЭДС, определяемой выражением (1.41), и внутренним сопротивлением, равным R.

Дискретная природа электрического тока, а также то обстоятельство, что количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника, не является величиной постоянной, приводят к тому, что появляется еще один источник шума, зависящий от величины протекающего тока. Этот шум называется дробовым шумом (шумом квантования), имеет белый спектр и его величина определяется следующим выражением:

I - величина протекающего тока; ∆f – шумовая полоса частот.

Кроме активных сопротивлений значительную долю шумов в шум АЭУ вносят усилительные элементы. Среди шумов усилительных элементов разли-

чают: тепловые шумы, дробовые шумы и шумы мерцания (фликкер-шум) [13].

Тепловые и дробовые шумы усилительных элементов имеют ту же природу, что и соответствующие шумы активных сопротивлений. Влияние этих шумов на АЭУ оценивается с помощью выражений, аналогичных выражениям

(1.41 - 1.42).

Величина шума мерцания, или фликкер-шума, зависит от чистоты мате-

32

риала эмитирующего электрода Его спектр сосредоточен в низкочастотной части диапазона и убывает с ростом частоты пропорционально величине

1/f [13].

ЕШБ rБ’

IШК

IШБ

Рис. 1.13

Таким образом, шумовая эквивалентная схема любого усилительного элемента описывается несколькими источниками шума. Так, например, шумовая эквивалентная схема транзистора для области, где фликкер-шум не действует, приведена на рис. 1.13. На этом рисунке сам транзистор является идеальным (не шумящим) элементом, обладающим только усилительными свойствами, а его шумовые свойства описываются тремя следующими генераторами:

ЕШБ = 4kTrб∆f - генератор шума, характеризующий шумы распределённого сопротивления базы транзистора rб;

IШБ = 2eI0б∆f - генератор, характеризующий дробовый шум тока базы, где Iоб - постоянный ток базы;

IШК = 2eI0К∆f - генератор, характеризующий дробовый шум тока коллектора, где I0К - постоянный ток коллектора.

Анализ шумовых свойств АЭУ обычно проводят, используя шумовые эквивалентные схемы, содержащие физические источники шума. При этом расчет сводится к составлению уравнений для токов и напряжений данной схемы и их решению, или к последовательному пересчету всех шумовых источников на вход или выход схемы.

Оценка шумовых свойств и сравнение по шумам отдельных АЭУ может проводиться несколькими методами. Для этого наиболее широко используются такие величины, как эквивалентная шумовая ЭДС (ЕШ), приведенная ко входу

33

АЭУ, шумовая температура (ТШ), коэффициент шума (FШ) и др. Эквивалентная шумовая ЭДС ЕШ находится путем пересчета всех дейст-

вующих источников шума во входную цепь усилителя. Она широко используется при определении динамического диапазона усилителей. Включив эквивалентную шумовую схему транзистора в схему усилительного каскада и учтя все остальные источники шума (например RИ, RБ, RК, R2 для схемы см. рис.1.5), можно рассчитать шумовое напряжение в любом сечении схемы.

Тепловая температура ТШ показывает, на сколько градусов необходимо поднять температуру сопротивления источника сигнала, чтобы на выходе идеального (по шумам) устройства получить мощность шумов, не отличающуюся от мощности шумов на выходе реального устройства.

Коэффициент шума FШ показывает, во сколько раз мощность шума на выходе устройства превышает мощность шума источника сигнала, приведенную к выходу устройства. Коэффициент шума может определяться и на входе усилителя. При этом все мощности с выхода усилителя пересчитываются на вход через коэффициент усиления по мощности.

где ∑PШ2 - общая шумовая мощность на выходе усилителя;

PШИ2 и PШИ - шумовая мощность источника сигнала, измеренная соответственно на выходе и на входе усилителя;

KР - коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума нередко выражают в логарифмических единицах, используя соотношение

34