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; Rш — шумовое сопротивление, Gш — шумовая проводимость, Gш=Rш-1.

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



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



где


  — дифференциалы от среднеквадратичных напряжений и токов шумов как случайных функций времени t, действующих в полосе пропускания df.

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 Rш=FRU/4kT, по току Gш=FRI/4kT и взаимной спектральной плотности Fш, представляющих собой соответственно шумовое сопротивление, шумовую проводимость и взаимную спектральную плотность шумов.

Для БТ, включенного по схеме с ОЭ:

Rш = rб + 0,2Iбrб2 + 0,02IкS0-2,

Gш = 0,2Iб + 0,02Iкg2S0-2,

Fш = 1 + 0,02Iбrб + 0,02IкgS0-2,

где Iб и Iк 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)Iб,

I'к = (1 + 500/f)Iк.

Для ПТ, включенного с ОИ:

Rш = 0,75/S0,

Gш = Rш??C?зи = 40Rшf?C?зи,

Fш = 1 + ?CзиRш = 1 + 6,28·CзиRш.

Данные формулы применимы и для других схем включения транзисторов.

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

F = (Rг + Rш + GшRг + 2FшRг)/Rг.

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


При этом в большинстве случаев оказывается, что Rг opt не совпадает с Rг, оптимальным с точки зрения получения необходимой fв каскада (Rг opt>Rг). 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 Rг 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


Генерация: 1.471. Запросов К БД/Cache: 3 / 0
поделиться
Вверх Вниз