dsd11-12 / dsd-12=Проектирование РЧ КМОП ИС / Лекция 6

Лекция 6. Малошумящие усилители

Напомним, что коэффициента шума многокаскадной системы определяется выражением:

(1)

где Fn коэффициент шума n- того блока рассчитанный по отношению к управляющему потенциалу предыдущего блока и Gan доступное усиление по мощности n-того блока. При этом,

F=(Общая мощность выходного шума / Доля выходного шума обусловленная источником сигнала).

Выражение (1) показывает, что наибольший вклад в многокаскадную систему вносит шум первого каскада. Поэтому в радиотракте первым каскадом, как правило, является малошумящий усилитель (МШУ).

В общей теории шумящего четырехполюсника (рис.1) рассматривается его эквивалентная схема изображенная на рис.2. Коэффициент шума в этой системе определяется выражением (2)

( 2)

где Y_s – адмиттанс источника.

Шумовой ток i_n и шумовое напряжение e_n могут иметь определенную степень корреляции. При этом ток i_n можно представить в виде

, где i_c и i_u – коррелированная и некоррелированная с e_n составляющие.

Удобно ввести корреляционный импеданс Y_c:

Преобразуем выражение (2) для коэффициента шума преобразуем к виду

(3)

В выражении (3) присутствуют три независимых источника шума (i_u, e_n, i_s ), которыми полностью описываются шумовые свойства системы. Этим источникам можно сопоставить (по определению) соответствующие эквивалентные шумовые сопротивления и проводимости:

Используя последние определения, выражение для коэффициента шума примет вид

(4)

где G_c и G_s – действительные части корреляционного адмиттанса и адмиттанса источника, а B_c и В_s соответствующие мнимые части.

Свойства источника сигнала можно выбрать таким образом, чтобы минимизировать выражение (4). В этом случае оно может быть переписано в виде:

( 5)

где

Для МОП транзистора справедливы выражения, описывающее описывающие его поведение, как шумящего четырехполюсника:

При этом,

где g_d0- проводимость канала транзистора при V_ds=0, g_m- крутизна транзистора насыщенном режиме, ,- подгоночные коэффициенты. В приблизительных расчетах для короткоканальных транзисторов можно полагать 2, 4, с0.395.

Основная проблема, с которой приходится сталкиваться при проектировании малошумящих усилителей- это проблема согласования с источником сигнала. Для широкополосных каскадов ряд способов согласования показан на рис.3.

Р ис.3 Способы согласования широкополосных каскадов.

Предельно низких значений коэффициента шума можно достигнуть в узкополосных усилителях. Здесь для согласования используются реактивные элементы, которые не вносят дополнительного шума в систему. При этом используется тот факт, что в индуктивно вырожденных усилителях с общим истоком (рис.4) в выражении для импеданса затвора появляется чисто активная составляющая

Усилительный каскад использующий индуктивное вырождение показан на рис.5.

Р ис.5 Усилительный каскад с индуктивным вырождением