7.1.2. Шумовые параметры уп

Для полного описания шумовых свойств УП как линейного шумящего четырехполюсника требуется четыре вещественных параметра. Удобную для практических расчетов систему таких параметров образуют приведенные ко входной цепи шумовой ток I_ш, некоррелированная составляющая шумовой э.д.с. e_ш и комплексное сопротивление корреляции Z_кор, определяющее корреляционную с током I_ш составляющую э.д.с. При этом УП представляется бесшумным эквивалентным четырехполюсником [Y]*, во входную цепь которого введены три шумовых генератора (рис. 7.*); входная проводимость Y_вх, в общем случае зависящая от проводимости нагрузки Y_н,

,

вынесена за пределы четырехполюсника [Y]*.

Рис. 7.*. Общее представление УП в виде эквивалентного шумящего четырехполюсника.

Если наряду с матрицей проводимости [Y] УП известны параметры I_ш, e_ш и Z_кор, то можно рассчитать создаваемое этим прибором напряжение шума в цепи нагрузки при произвольных значениях внутреннего сопротивления источника сигнала и нагрузочного сопротивления, вычислить коэффициент шума F усилителя и определить условия согласования входной цепи, при которых достигается минимальное значение F. Однако в справочных данных по УП, как правило, отсутствуют сведения о полной системе шумовых параметров и упомянутые расчеты удается производить на основе либо экспериментального определения параметров I_ш, e_ш и Z_кор, либо приближенной теоретической оценки их значений для конкретного класса УП (см., например, [8*]).

Наиболее доступными для расчета шумовых свойств усилителей параметрами УП являются коэффициент шума F БТ и приведенное ко входу напряжение шума U_ш.э полевых транзисторов. Эти параметры чаще всего указываются в справочных данных и характеризуют общий эффект всех видов электрических флуктуаций в УП при оговоренных условиях, т.е. в определенной схеме включения и при заданных рабочей точке, полосе частот и сопротивлении источника сигнала. Эти условия обычно выбираются близкими к типовым для низкошумящих каскадов. Следует иметь ввиду, что у всех классов УП существует низкочастотная составляющая шума, мощность которой примерно обратно пропорционально частоте, так что величины F и U_ш.э в расчете на одинаковою полосу частот монотонно возрастают с понижением частоты ниже некоторой критической f_н.ш. Значения f_н.ш могут находиться в пределах от 100 Гц (для наиболее низкошумящих БТ и ПТ с управляющим p-n переходом) до сотен кГц (для сильно шумящих БТ и ПТ с изолированным затвором).

7.1.3. Расчет шумовых характеристик уу

Шумы в УУ в основном определяются шумами активных сопротивлений и усилительных элементов, расположенных во входных каскадах. Наибольший вклад в мощность шума, создаваемого усилительным каскадом, вносит усилительный элемент. Наличие собственных источников шумов ограничивает возможность усиления слабых сигналов.

В зависимости от природы возникновения, собственные шумы транзистора подразделяются на тепловые, дробовые, шумы токораспределения, избыточные и т.д.

Тепловые шумы обусловлены беспорядочными перемещениями свободных носителей заряда в проводниках и полупроводниках, дробовые – дискретностью заряда носителей (электронов и "дырок") и случайным характером инжекции и экстракции их через p-n-переходы. Шум токораспределения вызывается флуктуациями распределения тока эмиттера на токи коллектора и базы. Все вышеперечисленные виды шумов имеют равномерный спектр.

Природа избыточных шумов до конца еще не выяснена. Обычно их связывают с флуктуациями состояния поверхности полупроводников. Спектральная плотность этих шумов обратно пропорциональна частоте, что послужило поводом для названия их шумами типа 1/f. Еще их называют фликкер-шумами, шумами мерцания и контактными шумами. Шумы типа 1/f сильно возрастают при дефектах в кристаллической решетке полупроводника.

Наиболее весомый вклад в мощность шумов усилительных элементов вносят тепловые шумы.

Шумы активных элементов можно представить в виде источника напряжения (рис. 7.1а) или источника тока (рис. 7.1б).

Рис. 7.1. Эквивалентные схемы активного шумящего сопротивления.

Соответствующие значения ЭДС и тока этих источников следующие (см. подразд. 2.6):

,

,

где – полоса рабочих частот;– постоянная Больцмана; Т – температура в градусах Кельвина;– шумовое сопротивление,– шумовая проводимость,.

Для стандартной температуры Т=290К эти формулы можно упростить:

, .

Спектральные плотности шумов по напряжению и току составляют [17]:

,

,

где ,– дифференциалы от среднеквадратичных напряжений и токов шумов как случайных функций времениt, действующих в полосе пропускания df.

Любой активный элемент можно представить шумящим четырехполюсником (рис. 7.2) и по данным формулам рассчитать его шумовые характеристики.

Рис. 7.2. Шумящий четырехполюсник.

В [16] приведены выражения для шумовых параметров БТ и ПТ нормированных спектральных плотностей шумов по напряжению , по токуи взаимной спектральной плотности, представляющих собой соответственно шумовое сопротивление, шумовую проводимость и взаимную спектральную плотность шумов.

Для БТ, включенного по схеме с ОЭ:

,

,

,

где ив миллиамперах,g и в миллисименсах. При учете фликкер-шумов для частот f10Гц в данных выражениях следует принять:

,

.

Для ПТ, включенного с ОИ:

,

,

.

Данные формулы применимы и для других схем включения транзисторов.

Полагая равномерным спектральные плотности шумов, согласно [16] можно получить выражение для коэффициента шума каскада:

.

Исследуя это выражение на экстремум, определяем оптимальное сопротивление источника сигнала , при котором коэффициент шума каскадаF минимален:

.

При этом в большинстве случаев оказывается, что не совпадает с, оптимальным с точки зрения получения необходимойкаскада (>). Выходом из данной ситуации является включение между первым и вторым каскадами цепи противошумовой коррекции (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Простая противошумовая коррекция.

Введением противошумовой коррекции добиваются повышения коэффициента передачи каскадов в области ВЧ (путем внесения корректирующей цепью затухания на НЧ и СЧ), компенсируя тем самым спад усиления на ВЧ за счет высокоомного .

Приближенно параметры противошумовой коррекции можно определить из равенства ее постоянной времени RC постоянной времени некорректированного каскада.

Расчет шумов каскадно соединенных четырехполюсников (многокаскадного усилителя) обычно сводится к расчету коэффициента шума входной цепи и входного каскада. Первый каскад в таком усилителе работает в малошумящем режиме, а второй и другие каскады в обычном режиме.

Расчет шумов в общем случае представляет собой сложную задачу, решаемую с помощью ЭВМ. Для ряда частных случаев шумовые параметры могут бить рассчитаны по соотношениям, приведенным в [16].