Малошумящий усилитель (мшу)

Чувствительность усилителя обуславливает возможность обнаружения слабых уровней сигналов при определенном уровне собственных шумов схемы и характеризуется минимальным уровнем входного сигнала, который может быть удовлетворительно обнаружен на фоне шумов.

Шумы в схемах усиления подразделяются на внутренние (собственные), присущие данному устройству, и внешние, поступающие на вход данного устройства. Основным параметром, определяющим шумовые характеристики усилителя, является коэффициент шума F.

В не шумящем (идеальном) устройстве

,

где Р_с, Р_ш – мощность сигнала и шума соответственно.

В реальном устройстве за счет наличия собственных (внутренних) шумов

отсюда

Зная коэффициент шума, можно видеть, насколько собственные шумы усилительного каскада ухудшают отношение сигнал/шум на входе по сравнению с тем же отношением на его выходе.

В транзисторном усилительном каскаде основным источником шумов является, прежде всего, сами транзисторы, в которых основную роль играют фликкер-шумы, дробовые и тепловые шумы, шумы разделения тока эмиттера на коллекторный и базовый токи, шумы лавинного пробоя p-n переходов, шумы, обусловленные различным уровнем инжекции и др.

Собственные шумы усилительного каскада зависят от сопротивления источника сигнала и от режимов работы транзистора.

Снижение коэффициента шума достигается с помощью следующих основных схемотехнических, конструктивных и технологических методов:

• во входном каскаде выполненные по схеме с ОЭ малошумящие транзисторы включаются параллельно;

• использование транзисторов с минимальным сопротивлением базы и с максимальным коэффициентом усиления по току на низкой частоте (по постоянному току), причем большие значения коэффициента усиления должны иметь место при малых (около 10 мкА) коллекторных токах;

• коллекторный ток транзистора должен оптимизироваться. С одной стороны с ростом I_к увеличиваются шумы токораспределения, с другой стороны с ростом I_к возрастает крутизна, при этом шумовые свойства улучшаются;

• на частотах меньших 0.1 f_раб коэффициент шума не зависит от частоты. Выше этой границы коэффициент шума растет приблизительно пропорционально квадрату частоты, поэтому на высоких частотах желательно использовать транзисторы с предельной частотой, приблизительно на порядок большей, чем рабочая;

• коэффициент шума зависит от внутренней полной проводимости источника сигнала рис.24. Для получения минимального коэффициента шума источник должен иметь чисто активное сопротивление;

• в качестве исходного материала для малошумящих транзисторов используется кремний с толщиной эпитаксиального n-слоя 2÷3 мкм для получения тонких базы (0,5 мкм);

• ^{для изготовления малошумящих транзисторов используются методы прецизионной фотолитографии и ионного легирования;}

• ^{для снижения уровня шумов используются гребенчатые и другие специальные конструкции транзисторов, в которых эффект вытеснения эмиттерного тока минимизирован;}

^{Рис. 24. Зависимость коэффициента шума F от сопротивления источника сигнала Rи, тока эмиттера I}_э^{, напряжения на коллекторе U}_к^{, частоты f и зависимость коэффициента усиления β от частоты f.}

^{При выполнении указанных выше рекомендаций у современных транзисторов на частотах в несколько сотен мегагерц (при использовании транзисторов с граничной частотой f = 1 ГГц) коэффициент шума не превышает 5 дБ.}

Структурная схема МШУ. В усилителе (рис.25) можно выделить три каскада: входной, промежуточный (УПЧ) и выходной.

Входной каскад. При работе усилителя от низкоомного источника вместо согласующего трансформатора в СВЧ ГИС целесообразно использовать n параллельно включенных низкошумящих биполярных транзисторов. Поэтому входной каскад собран на транзисторах VТ1, VТ2, включенных параллельно. Это позволяет снизить коэффициент шума усилителя до 2,5 дБ. Оптимальный ток эмиттера (с точки зрения коэффициента шума) устанавливают подбором величины резисторов R1, R3 (при напряжении U_к = 2,5÷3,5В, что достигается подбором величины R2). Резистор R1 осуществляет глубокую ОС по постоянному току, а устранение ОС на переменном токе осуществляется шунтированием резистора R1 конденсатором С1, что дает возможность получить максимальное усиление по переменному току.

Через разделительный конденсатор С4 входной каскад связан с промежуточным каскадом, собранном на транзисторе VТ3 по схеме ОБ (достаточно низкое входное и высокое выходное сопротивление), в результате чего обеспечивается хорошее согласование УПЧ с входным и выходным каскадами. Настройка на среднюю частоту осуществляется изменением величины контурных емкостей С8, С9, С14, С15 (подбор) и изменением индуктивностей L2, L3 (замыкание части витков). Полоса пропускания регулируется подключением к контуру шунтирующих резисторов R6, R13 и подбором их величин.

Транзистор VТ4 в выходном каскаде включен по схеме ОЭ, что дает наилучшую устойчивость усилителя при большом коэффициенте усиления по мощности. Общий требуемый коэффициент усиления устанавливается путем выбора режимов транзисторов VТ3, VТ4 по постоянному току (резисторы R5, R6 для VТ3 и R10, R11, R12 для VТ4) и применением общего напряжения питания (резистор R15). Для постройки резисторы выполняются секционными.

Рис.25. Схема электрическая принципиальная УПЧ.