Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 58
Текст из файла (страница 58)
К таким процессам в полупроводниковых приборах можно отнести тепловое движение электронов и дырок, процессы генерации и рекомбинации электронов и дырок. Кроме того, приемник наряду с полезным сигналом может принимать шумы от внешних источников. Примерами таких источников шума могут служить электрические разряды в атмосфере, электрнческяе машины н системы зажигания двигателей внутреннего сгорания.
С точки зрения возможностей приема системой слабых сигналов самым критичным компонентом электронной системы связи является первый, или входной, каскад приемника. Именно здесь сигнал самый слабый и, следовательно, наиболее чувствителен к воздействию шумов. Эти шумы вырабатываются либо внутри вхорпюго каскада, либо принимаются входным каскадом вместе с полезным сигналом, Отношение напряжения сигнала к напряжению шума (оба напряжения — среднеквадратические величины) будет называться отношением сигнал/в~ум.
На входе приемника это отношен"е зависит от амплитуды сигнала и уровня внешнего шума. п н 111умы внутри первого каскада приемника складываются с уже песк рннятыми шумами, следовательно, отношение сигнал/шум будет есколько уменьшено входным каскадом. 3то естественно, так как соелоф с. Глава а 322 и сигнал и шум усиливаются первым каскадом, причем с одина ковым коэффициентом усиления, а значит, дополнительные ш,,1ь, появившиеся внутри входного каскада, будут частично умень;и.,„„' или ухудшать отношение сигнал/шум. В следующих каскадах приемника происходит дальнейш усиление сигнала и шума. Внутренние шумы этих каскадов б складываться с усиливаемым сигналом, и в результате отношепи сигнал/шум будет все больше уменьшаться по мере прохождсни„ сигнала от каскада к каскаду усилителя.
Тем це менее именно первый каскад будет наиболее важен при определении отношени„ сигнал/шум приемника. Если коэффициент усиления первого каскада обозначить через А„ второго каскада — через А, и т д то общий коэффипнент усиления будет Аг= А,АлА, .... Если уровень сигнала, поступающего на вход приемника, Я„ а уровень шума йго то их отношение на входе приемника равно 5,/йо При шумах, вносимых первым каскадом й м после первого каскада имеем А,Я,/А,(У, + Л',) =- 5;/(/У~ + Л/,). На выходе второго каскада отношение сигнал/шум будет даваться формулой — (5 55) ААв~Л, ) Э)+ А,~, (У, Л Л,) Ч Л~А, где М, — шум, вносимый вторым каскадом.
Аналогично для выхода третьего каскада А~Авлаэ~ А1АвАв(Фв + Мю) + Аллл)ел + АвЛ'з — (5.57) (Л~ -~- Ф,) + Фв!А, + Лл/А1Ав ' Эти формулы показывают, что при разумно больших коэффициентах усиления последующих каскадов отношение сигнал/шум первого каскада будет вносить основной вклад в общее отношение спгнал/шум приемника.
Возможности системы по детектированию или восстановлению слабых сигналов характеризуются чувствительностью системы Она обычно выражается через минимальный уровень входного сигнала, дающий приемлемое отношение сигнал/шум. В боль шпнстве случаев минимальное отношение, необходимое для обив руження полезного сигнала, равно единице, в этом случае чув ствительность — это уровень сигнала, равный уровню шуро~ первого каскада усиления. В идеале усиленный сигнал приемника будет точно повторять исходный сигнал, переданный передатчиком. На практике достич| этого нельзя из-за разного рода нелинейностей системы и по являющихся в результате искажений н шумов. Характгристаки и прихлгкенае ОУ з23 Обычно для получения приемлемого уровня сигнала необхо„имо иметь отношение сигнал1шум по крайней мере около 10 (20 дБ), а в ряде случаев требуется отношение от 30 до 40 (30— 3б дБ), Например, чтобы получить качественное телевизионное изображение без видимых искажений, необходимо отношение сигнал/шум около 30 (36 дБ).
Если это отношение опускается «иже 10 (20 дБ), то суммарные искажения становятся такими, что изображение едва заметно, ниже 3 (!О дБ) на изображении появляется «снегж Если отношение стало ниже 1 или 2 (О— б дБ), то очень трудно вообще что-либо различить на экране. Геалалмий РУ «Бесиумкьийа РУ Рнс. 5.2В. Эквивалент ное напряженке вход ного шума. ! м> Выделим два основных источника шума в электронной системе усиления: тепловой шулс и дробовой шум. 'Тепловой шум (илн шум Джонсона) возникает из-за хаотического теплового движения заряженных носителей (электронов и дырок) в различных схемных компонентах усилителя, особенно в резисторах и транзисторах.
Дробовой шум является результатом случайных флуктуаций при протекании тока через электронные приборы. Как тепловой, так и дробовой шум — случайные функции времени со средним значеньем, равным нулю, и нормальным распределением плотности вероятности. В любом электронном приборе или компоненте существуют незначительные колебания напряжения или флуктуации тока, называемые шумом. Оу не является исключением. Электрический шум, возникающий внутри ОУ, особенно шум, обусловленный транзнсторамп и резисторами первого или входного каскада, накладывается па полезный сигнал н частично отражается на выходном напряжении. Анализируя идеальный абесшумньпы ОУ с последовательно подключенным к одному из входов источником акапоплентногоо.
одного шута, о;,„,и„, (рис, 528), внутренние шумы ОУ легко описать, а значит, и оценить пх влияние. Обычно этот источник подключают к неннвертирующему входу. Напряжение шума — чисто случайная функпия времени с математическим ожиданием, равным нулю или постоянному зна"ению. Это напряжение удобнее все~о выразить через зависимость ~ежду его среднеквадратичным значением и заданным диапазоном частот или полосой пропускания. Кривая спектрального распре"еления напряжения шума плоская, кроме области низких частот (~ 100 Гц), как и показано на рис. 5.29. Среднеквадратичное 1! ° 324 Глава о напряжение шума пропорционально корню квадратному из ши.
рины полосы пропускания. Эквивалентное напряжение входного шума обычно представ ляется в виде спектральной плотности — среднеквадратичного значения напряжения входного шума, отнесенного к единигте шиРины полосы пРопУсканиЯ, и задаетсЯ в единицах нВ/Гц|гг Типичное значение эквивалентного напряжения входного шума для ОУ составляет 20 нВ/Гцпг. В системе, характеризуемой одной точкой излома частотной характеристики (т.
е. с наклоном (, К 100 Гч) Маслгапга (Лагарп(аипчесппй— маспгагай) Рис, Гь29. Спектральное распределение напряжения входного гарна. 20 дВ/декада), результирующая полоса пропускания, используемая для расчета шума («полоса шума»), связана с полосой про. пускания системы (по уровню 3 дБ) выражением (В)Уг)п= =- (и/2) (В)гв)гпв. Например, ОУ с эквивалентным напряжением входного шума (спектральной плотностью) 20 нВ/Гцп* и полосой пропускания 10 кГц имеет среднеквадратичное напряжение входного шума 20 нВ/Гцн'[(и/2) 10 крц)'/ =2,5 мкВ. Следовательно, чтобы обеспеггить отношение сигнал/шум !О: 1, уровень входного сигнала должен быть 25 мкВ.
Г1ри уровне сигнала 2,5 мкВ это отношение равно единице, и сигнал сильно искажен и едва раз. личим среди шумов. Если же это отношение становится меньше единицы, то сигнал «тонет» в шумах и восстановить его практически невозможно. Следовательно, напряжение входного шума определяет чувствительность системы по отношению к слабым сигналам.
Другой источник шума, представляющий интерес, — входной ток смещения /и. Этот ток практически постоянный, но пз-за дискретной природы электрического тока возможны его незначительные флуктуации. Эти флуктуации представляют собой сцпумо Характеристики и применение ОУ в и токи, называемый дробовым шумом, /,и, который, как и напря,енне шума, имеет среднее значение, равное нулю илн постоянной, характеризуется своим среднеквадратичным значением. Его кнривая спектрального распределения довольно плоская, кроме области низких частот (~!00 Гц), и среднеквадратичное значение тока дробового шума пропорционально корню квадратному из ,пирины полосы пропускания. Спектральная плотность тока „робового шума равна среднеквадратичному значению тока дробового шума, отнесенному к единице ширины полосы пропускания, и выражается в единицах пА/Гцп' или фА/Гцпе (1 фА = — !О-" А). Ток дробового шума (спектральная плотность) связан с током смещения простым соотношением !,„= (2е/в)н', где е— заряд электрона (1,6 10 " Кл), Например, для /„= 100 нА ток дробового шума равен !,„= 0,18 пА/Гц'~', Еще один важный источник шума в ОУ вЂ” напряжение теплового шума, которое связано с падением напряжения на резисторах ОУ и пропорционально корню квадратному из температуры.
Это случайное напряжение со средним значением, равным нулю или постоянной, описывается отношением среднеквадратичного значения к ширине полосы пропускання. Среднеквадратичное напряжение теплового шума пропорционально корню квадратному из ширины полосы пропускания, спектральная плотность которого равна среднеквадратичному напряжению теплового шума, отнесенному к единице ширины полосы пропускания, Напряжение теплового шума дается формулой о,„= (4иТЙ)пэ, где й — постоянная Больцмана (1,38 10 "/К), Т вЂ” абсолютная температура в кельвянах и /7 — сопротивление резистора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
