М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 16

Для хорошего воспроизведения низких частот нужно, чтобы входное сопротивление усилителя было большим по сравнению с реактивным сопротивлением емкости 50 пФ на частотах вплоть до 20 Гц. Практически для этого требуется, чтобы входное сопротивление было порядка 200 МОм, что обычно обеспечивается усилителем на полевом транзисторе, смонтированным в корпусе микрофона, 5.7 Согласование сопротивлений для оптимальной передачи мощности Но (делитель напряжения), ~п он ~п поэтому и' Я,'-„ й,„()7„в + й,„) ( )( ~п (5.5) Хотя, как правило, критерием при согласовании сопротивлений служит максимальный перенос напряжения, бывают случаи, когда требуется передать максимум мощности Схему на рис. 5.7 можно рассмотреть с точки зрения максимума передаваемой мощности. Ради простоты импедансы У „, и е, будем считать резистивными и равными Л „, и А (ом) соответственно.

Пусть И' — мощность в ваттах, рассеиваемая в сопротивлении й,, Тогда Р2 м 88 Согласование сопротивлений Мошность Иг максимальна, когда знаменатель А (1 + А,„, /А )' принимает минимальное значение. Величину А можно найти из этого условия, дифференцируя знаменатель по А,„и приравнивая результат нулю, то есть — Аы 1+ — '"' =О. Производя вычисления, получим А.'„1 — 2А жА.

е —" =О ии 1и 1и |и и 2 1- — '"' = О, то есть А,и = А,„,. 2 А,и Следовательно, максимум мощности в А, достигается при А,„= А,„с Этот результат известен как теорема о максимальной мошности; максимум мощности передается от источника в нагрузку, когда сопротивление нагрузки равно выходному сопротивлению источника. Эту теорему можно доказать не только для резистивных компонентов, но и для комплексных сопротивлений У.„и У„, то есть при У,, =Аи е !Хи В этом случае для передачи максимума мошности требуется, чтобы, помимо условия А,и = А,м, выполнялось также условие Хм = -Х,„,, то есть при емкостном характере одного импеданса другой импеданс должен иметь индуктивный характер. Обсудив теорему о максимальной мощности, необходимо отметить, что ее значимость в электронике минимальна Приравнивание сопротивления нагрузки выходному сопротивлению источника само собой подразумевает, что при этом одинаковая мощность буде~ рассеиваться в источнике и в нагрузке.

Это неэффективно и может быть одним из факторов, приводящих к перегрузке используемых компонентов. Если входной сигнал поступает по линии передачи, такой как длинный телефонный кабель, то сопротивление нагрузки выбирается, как правило, равным волновоиу сопротивлению кабеля, но это совершенно особый случай передачи мошности, когда речь идет, главным образом, об исключении отражений сигнала, а не о передаче сигнала усилителю. Электрические схемы часто используются для молелирования механических и акустических систем при анализе последних.

Применительно к таким системам теорема о максимальной мошности оказывается ценным подспорьем в решении задач об оптимальной передаче энергии, Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока 89 5.8 Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока 5.9 Согласование сопротивлений для минимизации шума усилителя 5 9. 1 Отношение согни г/шум Шум всегда присутствует в электронных схемах. Его слышно в радиоприемнике между станциями и при приеме слабого сигнала. Физически шум представляет собой случайные флуктуации иапряжеиия, которые можно слышать как шипение в громкоговорителе. Именно по электрическому шуму устанавливается самый нижний диапазон измерений в электронных приборах; шум ограничивает реальную чувствительность радиоприемника и может возникать во время тихих музыкальных пассажей при воспроизведении звука с аналоговой кассеты.

Будучи явлением случайным, шум ие сосредоточен на одной частоте, ио существует во всех частях спектра. И в самом леле: мощность шума, порождаемого схемой, обычно пропорциоиальиа ее ширине полосы. Часто мерой «различимости» полезного сигнала иа фоне шума в той или иной системе служит отношение сигнал/шум (Б)япа!-го-14о)зе Кабо, Ях)К). Его находят как отношение мощности сигнала Р, к мощности шума Р: БХК = — '. Р,, Р„ Обычно его выражают в децибелах: Б))К =!01оя, — ' лБ Р, Р„ (5.6) Шум и сигнал появляются на выходе вместе, и оба «действують иа одном и том же сопротивлении; поэтому отношение мощностей можно выразить через более удобное отношение эффективных (средиеквадратических) значений сигнала и шума У, и Г соответственно: г ( 1; ') БХК =10!оя,ь~ — ') дБ = 20!об ю — 'дБ.

(5.7) Иногда требуется согласование сопротивлений, обеспечивающее максимальный ток во входной цепи. Обращаясь снова к рис. 5. 7, видим, что максимум входного тока 1 достигается в том случае, когда полное сопротивление в цепи делается возможно меньшим. Поэтому, при фиксированном У,„с следует стремиться к возможно меньшему значению лгк Эта довольно нестандартная ситуация прямо противоположна обычному случаю, когда требуется передавать напряжение. 90 Согласование сопротивлений Когда речь идет о характеристиках оборудования, нам часто бывает необходимо значение максимального отношения сигнал/шум. Оно получается путем измерения максимального эффективного напряжения сигнала на выходе у'„„и сравнения его с эффективным напряжением имеюшегося на выходе шума У' шах БХК =20!о8,е (м") дБ.

Ухо (5. 8) Как мы увидим, для получения разумного значения отношения сигнал/ шум обычно необходимо знать выходное сопротивление источника сигнала, 5 9.2 Тепловой шум (5. 9) У х =,~44й ТРА~, где lг — постоянная Больцмана (1 = 1,380 х 10" Дж К '), Т вЂ” температу- ра резистора в кельвинах (= 273 + "С), д /†полоса пропускания измери- тельного устройства (Гц), Я вЂ” сопротивление резистора (Ом) Подставляя в качестве типичных значений ширину всего диапазона зву- ковых частот ( = 20000 Гц) и комнатную температуру ( = 300 К), получим эфф.

шумовая э.д,с. У,= 1,8 х10'хчЯ вольт, Если, например, Я = 1О кОм, тоз/Я = 100 (Ом)о' и 1' = 1,8 х 10' х 10-' В = 1,8 мкВ. 5.9.3 Шумы в транзисторах Ток, протекая в транзисторе, производит шум. Сушествуют три главных источника шума: (а) Тепловой шул~ является результатом конечного сопротивления материала полупроводника. (б/ Яробовой шум возникает всякий раз, когла носители тока пересекают барьер на р-и переходе. Каждый носитель вызывает легкий короткий всплеск тока, когда он проходит сквозь р-п переход; совокупный эффект от многих носителей дает случайные флуктуации тока. Мошность дробового шума прямо пропорциональна току; его действие проявляется в наибольшей степени, когда собственное сопротивление р-и перехода велико, как, например, в случае перехода коллектор-база, смешенного в обратном направлении.

(с) Фликкер-шум или 1//-шум вызван случайными колебаниями процесса диффузии в транзисторе. Как следует из названия, спектральная плотность мошности 1Д-шума обратно пропорциональна частоте, так что энергия шума В любом отрезке проводника имеется определенный электрический шум изза тепловых колебаний атомов. Он известен как тепловой шум или шум Джонсона Основываясь на постулатах термодинамики, Найквист показал, что эффективная шумовая э.д.с. У„на резисторе Я равна Согласование сопротивлений для минимизации шума усилителя 91 сосредоточена, главным образом, на низких частотах. В биполярных транзис- торах на частотах ниже 1 кГп этот вид шума является преобладающим.

5.9.4 Коэф4ициент шума Наличие теплового шума означает, что невозможно в принпипе иметь абсолютно «чистый» сигнал с бесконечным отношением сигнал/шум. Самый нижний уровень шума, на который можно налеяться, определяется теоретическим значением напряжения теплового шума сопротивления источника сигнала. На практике наблюдаемый входной шум неизбежно больше, чем шум источника, из-за шума, вносимого усилителем. Это ухудшение отношения сигнал/шум называется коэффициентом шуца (Хо(зе Г)явге) или шум-фактором (Хойе Гас!от, ХГ) усилителя и определяется как частное от деления отношения сигнал/шум по мощности во входном сигнале (Р /Р„) на отношение сигнал/шум по мощности на выходе усилителя (Р„/Р«), то есть Р~о /Р»» Удобнее выразить коэффициент шума через эффективные значения сигнала и шума У, и У соответственно: Как и выше, индексы !и о указывают на вход и на выход. Но У /)« — это козффипиент усиления напряжения А, усилителя, поэтому )цГ (5.

1О) Величина У /А, представляет собой эффективное шумовое напряжение, которое следовало бы приложить ко входу нешумящего усилителя с коэффипиентом усиления напряжения А,, чтобы получить шумовое напряжение на выходе У . Эта величина У„, /А, называется нолным шумом, отнесенным ко входу, и обозначается У,„„„. Введенное только что понятие является пенным, так как оно исключает из нашего определения коэффипиента шума коэффипиент усиления усилителя: л~(~«~«1) су где ув — эффективное напряжение шума, присутствующего в источнике вхолного сигнала. Обычно коэффициент шума выражают в депибелах: (5.!! ) у Нешумящий усилитель имел бы коэффипиент шума, равный О дБ. В хороших малошумяших усилителях обычно достигаются значения коэффициента шума„меньшие 3 дБ.

92 Согласование санралуивлеиий Если рассматривать усилитель в отдельности, то аффективное напряжение шума Ри, фактически поступающее на его вход, является результатом исключительно теплового шума внутреннего (выходного) сопротивления источника сигнала. Полный шум, отнесенный ко входу, рн а„,л состоит из вкладов теплового шума р' и шума, порождаемого транзисторами усилителя. Но транзистор дает не только напряжение шума на входе, он порождает также входной шумовой ток.

На рис. 5.8(а) показана эквивалентная схема входной цепи усилителя с источниками шума. Пусть е„— мгновенное значение шумового напряжения, т — мгновенное значение шумового тока, а е„,ун и р'и — средние квадраты мгновенных значений шумовых сигналов т т [ранее величина ры уже была определена как эффективное (среднеквадратическое) значение], Внутреннсс сопротивление н т чинке сигнмв ег 1 г —— 1 1 1 1 1 тенчонтй шуке те нный внутренним сопротивлением ист сник.