Книга: Схемотехника аналоговых электронных устройств

8.3. Расчет шумовых характеристик УУ

8.3. 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 (рисунок 8.1а) или источника тока (рисунок 8.1б).

Рисунок 8.1. Эквивалентные схемы активного шумового сопротивления

Соответствующие значения ЭДС и тока этих источников следующие (см. подраздел 2.2):

где ?f — полоса рабочих частот; k=1,38·10^-23 — постоянная Больцмана; T — температура в градусах Кельвина; R_ш — шумовое сопротивление, G_ш — шумовая проводимость, G_ш=R_ш^-1.

Для стандартной температуры Т=290°K эти формулы можно упростить:

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

где

Любой активный элемент можно представить шумящим четырехполюсником (рисунок 8.2) и по данным формулам рассчитать его шумовые характеристики.

Рисунок 8.2. Шумящий четырехполюсник

В [16] приведены выражения для шумовых параметров БТ и ПТ нормированных спектральных плотностей шумов по напряжению R_ш=F_RU/4kT, по току G_ш=F_RI/4kT и взаимной спектральной плотности F_ш, представляющих собой соответственно шумовое сопротивление, шумовую проводимость и взаимную спектральную плотность шумов.

Для БТ, включенного по схеме с ОЭ:

R_ш = r_б + 0,2I_бr_б² + 0,02I_кS₀^-2,

G_ш = 0,2I_б + 0,02I_кg²S₀^-2,

F_ш = 1 + 0,02I_бr_б + 0,02I_кgS₀^-2,

где I_б и I_к в миллиамперах, g и S₀ в миллисименсах. При учете фликкер-шумов для частот f?10Гц в данных выражениях следует принять:

I'_б = (1 + 500/f)I_б,

I'_к = (1 + 500/f)I_к.

Для ПТ, включенного с ОИ:

R_ш = 0,75/S₀,

G_ш = R_ш??C?_зи = 40R_шf?C?_зи,

F_ш = 1 + ?C_зиR_ш = 1 + 6,28·C_зиR_ш.

Данные формулы применимы и для других схем включения транзисторов.

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

F = (R_г + R_ш + G_шR_г + 2F_шR_г)/R_г.

Исследуя это выражение на экстремум, определяем оптимальное сопротивление источника сигнала R_г opt, при котором коэффициент шума каскада F минимален:

При этом в большинстве случаев оказывается, что R_г opt не совпадает с R_г, оптимальным с точки зрения получения необходимой f_в каскада (R_г opt>R_г). Выходом из данной ситуации является включение между первым и вторым каскадами цепи противошумовой коррекции (рисунок 8.3).

Рисунок 8.3. 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 R_г opt.

Приближенно параметры противошумовой коррекции можно определить из равенства ее постоянной времени RC постоянной времени ?_в 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].

Оглавление книги