Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств (2-е издание, 2001) (1095416), страница 53
Текст из файла (страница 53)
В насгоягпее время получили распространение ряд методик "палиха и описания шумовых свойств усилительных трактов. Пер'"а методика основана на использовании понятия коэффипиента 'ума Е,„. Коэффиниент шума является параметром, показываюнм, во сколько раз общая мощность шумов на выходе реально- усилителя, работающего от заданного источника сигнала, боль'е по сравнению с мощностью шумов па выходе идеального к«неумящего уснлителягь а именно Р». — ~,,Рш «их» + Рш аык с) (Р«и в»«с. де Р, .„--мон«н«1сгь шума на выходе, порождаемая источником игнала; Р,„, » — мощность шумов на выходе, порождаемая собвенными источниками шума. Коэффипиент шума показывает от'оснгельный нь ш ~ по моигиости собсзвенных шумов реального '.силителя в обнгий шумовой сигнал на выходе.
Возможная область применения коэффиииента шума ограни.'ена узкополосными трактами, случаями, когча в пределах поло:ы пропускания рассматриваемого устройства энергетическая ,тнектральиая плотность источников шума может быть рассматннаема как постоянная, а источник сигнала имеет заданные ,'труктуру и свойства. В частности, этот параметр широко привлефаезся прн анализе шух«оных свойств устройств радиоприема. на' Ождения условий получения в пих наилучших шумовых свойств. По указанным причинам параметр Р„, малопримеиим при СХ)цепке пм новых с:«ойств устройств широкополосного усиления, в '-.,"Том числе и большинства аналоговых трактов аудио. и видеотех. )з)ньи.
Коэффиннент ш)иа также мало используется в качестве )»«арактернстики шумовых свопств трап «нсторов безотносительно к 25Я «и оц Рис. !3.1 конкретной области их использования и условиям проведения шумовых измерений. Широкое применение имеет метод анализа шумовых свойств линейных электронных цепей, основанный на представлении шумящих цепей в виде шумящего четырехполюгника.
Согласно этому методу шумовые свойства любого усилительного звена, содержащего внутренние источники шумов, характеризуются с помощью двух эквивалентных шумовых источников. обычно включаемых иа его входе (рис. 13,!). Один из источников — источник шумового напряжения и,(!), другой — источник шумового тока ! (!). Об уровне и характере шумового процесса и (г) обычно судят по выходному напряжению четырехполюсника при его работе в условиях накоротко замкнутых входных зажимов, а об ! (!) — в условиях разомкнутости этих зажимов. 1.1а рис. 13.1 и эквнвалехтцых схемах„приводимых в дальнейшем, источники шумов и,„(!) и 1„(г) выделены штриховкой, так как интенснвносги этих источников тока и напряжения выражаются не в амперах н вольтах, а характеризуются энергетнческимн спектральными плотностями 5«(!) и 5;(!), имеющими соответсгвенно размерности ~В'/Гч) н (А-",гГц).
В общем случае источники и (!) и 1 (!) коррелированы между собой. Поэтому для полного описания шумовых свойств аналогового тракта по методу шумящего четырехполюсннка помимо указанных параметров 5„(!) и 5~(!) требуется еще два дополнитель ных, характеризующих взаимосвязь источников и (!) и ! (!) на каждой частоте. Параметры, определяющие эту взаимосвязь, называются взаимными спектральными плотностями 5ы(!) и 5;„(!). К достоинству метода шумящего четырехполюсника следует отнести тот факт, что при его применении дается достаточно общая характеристика шумовых свойств схем и транзисторов, безотносительная к конкретному их применению. При этом на основании этого метода могут быть подвергнуты анализу шумовые свойства прн любом конкретном построении тракта на базе данного «шумящего» элемента нли схемного звена.
По возможности практического применения этого метода весьма ограничены, так как требует знания обычно трудноопределяемых значений спектральных плотностей и их взаимосвязей. Кроме 260 ')зго, указанные значения спектральных плогностей и параметрон, 'арактеризующих нх взаимосвязь, могут иметь частотную зависи' 'ость даже в случаях, когда внутренние собственные источники "ума таковой не обладают. Сложносзи представления шумовых ойств схем с помощью параме!ров 5 (/) и 5,(/) усугубляются 'анже тем, что значения этих параметров являются функцнялщ ; жимов работы транзисторов и температурных изменений. По "им причинам при инженерных расчетах метод шумящего четы'ехполюсннка используется относительно редко.
Обычно к исполь"':ванию этого лкетода прибегают прн рассмотрении шумовых '' ойств микросхем, ОУ и т. д. При анализе шумовых свойств широкополосных трактов наиее широкое применение находит метод, основанный на исполь":ванин физических эквивалентных схем.
В иих собственные шу'ы электронных цепей представляются в виде ряда источников ков и напряжений, интенсивность и точки подключения которых ределяются физическими процессами, протекающими в реаль' х электронных цепях. !!рн рассмотрении шумовых свойств ре'льтаты воздействия э!их источников пересчитываются иа вход "и выход устройства в соответствии с коэффициентами передачи ; и преобразования, определяющими передаточные свойства схе'ы от места действия каждого источника шума до выхода тракта целом. .„';-:,: Обычно все основные внутренние физические источники шума ':.;усилительных схемах являются некоррелированнымн, в резуль, те чего общая мощность шума на выходе Ре,вык к являегся с!'м "ой мощностей, порождаемых отдельными источннкамп: / Р,к — — Р,,+Р„, „з+...+Р „„/ — — ~Р „„„: (!3.!) Лве в=! / (13.2) еык Х вык! + выкя + "' + вык/ ввк еык в' в=! .
е Р, в — мощность шума на выходе, порождаемая и-м источ"ком шума; о...— действующее значение шумового напряже!я на ныходе, обусловленного и-м источником шума; ! — общее "ело шумовых истошщков. оказываюп!их заметное влияние на щий уровень шума на выходе. в, Эффективность практического применения рассматриваемого " ,тода обусловлена также тем, что в этом случае без существен'х ограничений может быть принят ряд допущений, облегчаюнх выполнение процедуры вычисления шумовых характеристик ,:илительных трактов. При этом помимо уже использовавшегося 26! при обосновании соотношений (13.1) и (!3.2) допущения об от сутствии взаимосвязи между источникамн шумов могут быть привлечены следующие: число 1 источников шумов, вносящих существенный вклад в общий шумовой процесс, наблюдаемый на выходе, мало; наиболее «заметные» по своему ноздействию источники шума находятся на входе усилительного тракта и в его первом усилительном каскаде; шумовые же источники, действующие во втором н последующих каскадах тракта, вносят в наблюдаемый на выходе шумовон процесс пренебрежимо малый вклад, так как относительно этих источников шума передаточные свойства тракта по мощности обычно существенно меныпе, чем относительно источников, действующих во входных звеньях усилизельного тракта.
Следует также отметить, что при проведении инженерных расчетов, ориентированных на использование физических эквивалентных схем, не вызываег существенных трудностей реализация учета функциональной зависимости параметров 5„(() и 5;()) от режимов работы и температурных изменений. Простота анализа шумовых свойств с использованием метода физических шумовых эквивалентных схем также обусловлена тем, что в большинстве случаев реально существующие шумовые ис точники не только не коррелнрованы, но н частотно-независимы (имеют спектральные плотности шумов 5„()') и 5,(1), не зависимые от частоты). В дальнейшем в соответствии с указаннычи причинами основ пой анализ шумовых свойств усилительных зрактов будет выпол.
неп па базе использования это~о метода. когорый широко применяется при схемотехническом проектировании, в том числе прн проектировании аналоговых схем с помощью ЭВМ. например, прп проведении расчетов с помощью программы РВр(се. !ЗЗЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ СОБСТВЕННЫХ ШУМОВ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ТРАКТОВ Как уже было отмечено выше. наиболее общим описанием свойств шумовых источников являются описания, основанные на использовании энергетических спектральных плотностей 5„и 5. В общем случае параметры 5„и 5, могут быть функциями частоты 1 и уровня протекающего в схеме тока й С учетом этого все рассматриваемые шумовые процессы подразделяются иа три разновидности: частотно.независимые шумы с токонезависнмыми спектральными плотностями 5 и 5,.
частотно-независимые шумы с токозависимыми спектральными плотностями 5,,(1) и 5,(7) и 262 3/9 д/ Рнс. !3.2 Рнс. >3.3 тотно-зависимые шумы с токозависимой сяектральной плот- ' тью 5. (/, /) и 5: (/, /). :",: К шумам первой разновидности (частотно-независимые шумы .'токонезависимыми спектральными плотностями) в первую очедь относят тепловые шумы или шумы Найквиста. Онн порожются хаотическим движением электронов, вызываемым тепло.м воздействием окружающей среды н самой схемы на резистив- ее элементы.
Указанное движение электронов обусловливает 'явление на за>кимах резистивного двухпол>осинка шумовой ЭДС, обной создать во внешней цепи шумовой ток. Проведенный йквистом анализ показал, что сопротивления Я, находящиеся ";уермодинамичес>юм равновесии с окружающей средой, при темратуре Т с точки зрения электрических представлений шумовых 'оцессов можно рассматривать в виде эквивалентных генератов напряжения (рис. 13.2, а) или тока (рис, 13.2, 6), порождаю' >к шумовые процессы со спектральными плотностями 5„и 5,, ,'торые во всем радиочастотном диапазоне частотно-независимы =;.нмек>т следующие значения: 5„=-4/>Тй, Ва/Гц", 5>=4нТ/Гт, Аз/Гц, (13,3 а) е 5„измеряется а В>/Г>ц 5; — в Аз/Гц; й=1,38 1О м — постоян'я Больцмана; Т вЂ” абсолютная температура, при которой нахо- тся сопрогивление /г'.
'!, Соотношения (13.3а) являются следствием теоремы о взаим- пересчетс энергетических спектров двухполюсных цепей. Со„: асно этой теореме шумы любой двухполюсной цепи могут быть едставлены как в виде генератора шумового напряжения со 263 спектральной плотностью 5„(1), так и в виде генератора шумового тока со спектральной плотностью 5,(1). При этом 5~ (У) = 5. 0))Т (й' 5. (У) = 5ю (У)1~",(У), (13.3 б) где Л,()) =1/У,()) — модуль полного сопротивления этой двухпо люсной цепи. Только на частотах инфракрасного диапазона и более высоких частотах спектральные плотности 5„и 5, резистора Й имеют заметную частотную зависимость, которую можно учесть в (!З.За) с помощью множителя О(1): 6(У) =- ехр (/4!МТ вЂ” 1) (13.4) где ! — среднее значение тока, протекающего через р-и нерелод; д=1,6 10 — м К вЂ” заряд электрона. Из сказанного выше следует, что понятие «постоянный ток транзистора» с точки зрения шумовых процессов является понятием условным, не учитывающим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
