Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Если это условие не выполняется, то в общем случае х,р,:= ~/ $ + 1, где ~ =- ги„~г, ги. ор! = коряг ° В эти выводы должны быть внесены определенные поправки, учитывающие, что важно не большое абсол1отпое значение амплитуды сигнала, а высокое отношение сигнала к шуму. Если усилитель идеальный, т. е; его шумом можно пренебречь по сравнению с шумами приемника излучения и входной цепи, то основной задачей сочетания приемника с усилителем является оценка роли теплового шума входной цепи и определения условий, когда эти шумы заметно не увеличивают шума источника сигнала — фоторезистора и его нагрузки. о07 Для выполнения необходимого расчета введем следующие допущения.
Во-первых, предположим, что выбор оптимальных условий сочетания приемника с усилителем проводится в области средних частот электрического сигнала, когда влияние емкостей С„ и С,„можно не учитывать. Во-вторых, будем считать, что приемник излучения и его нагрузка характеризуются шумами Джонсона, так как эти шумы определяют предельную чувствительность системы и, следовательно, нх учет предъявляет наиболее жесткие Рис. 332.
К расчету согласования приемника иалучепия с усилителем: а — идеальный пспгумящий усилитель; 6 — гпум усилителя представлен генератором шума Г и сопротивлением тг „, шз условия сочетания. Шумовая схема для этого случая представлена на рис. 332, а. Дисперсия шума источника сигнала на выходе усилителя определяется шумом генератора Г, и равна и . „= 4АТг«г ~«',„/(«~+ «,„)'1Л~ т,Ко. Дисперсия дополнительного пума, определяемого генератором Г„„, иш. л =- 4АТ «х Ы(«г'+ «,х) 1 Л~ . ус Ко. Коэффициент шума 1 + ~ш.
поп /иш. с == 1 + Тах«а1(Тг«их). если Т ==-= Твх — -- То, то Р= — 1+«;/«„. Для уменьшения коэффициента пума необходимо, чтобы входное сопротивление усилителя было максимальным, т. е. «,„)~ «„ где «; =-- ««„/(« -1- «„). При согласовании шумов, когда г„„=- г;, коэффициент шума Г = — — 2. Путем рассогласования, когда г„„> г;, коэффициент шума можно уменьшить, однако даже в совершенно нешумящих усилителях он больше единицы, если величиной г; нельзя пренебречь по сравнению с г,„..
Если с шумами усилителя приходится считаться, расчет усложняется. Предположим, что шум усилителя можно представить в виде эквивалентного сопротивления К„.„, которое выбрано таким образом, чтобы генерируемый им шум Джонсона был равен шуму дробового эфректа, наблюдаемому па выходе первого ка. скада. Это сопротивление учитывает в основном дробовой шум анодного тока лампы, так как предполагается, что дробовой шум сеточного тока, тепловой шум нагрузки, фликкер-эффект, микрофонный шум и т. д. доведены до возможного минимума, существенно не увеличивающего составляющую дробового шума анод- ного тока. Для предусилителей на транзисторах джонсоновский шум сопротивления /г.„„, также может быть аналогом сложной физической картины шумов транзистора, только величина должна выбираться исходя из иных соображений, чем для лампы. Эквивалентная шумовая схема дЛя шумящего усилителя может быть, следовательно, представлена в виде, показанном на рис. 332, б.
Усилитель на этой схеме вновь предполагается идеальным (нешумящим), а его шум генерируется источнцком шума Г„„ Для этой схемы справедливы следующие соотношения. Коэффициент шума входного сопротивления ~ш~1 1 4 Тех вх [ г/( е+ ~вх)) /ш. ус/~о 1 Тцкг; Ри..
вх 4йТ,.г,. [г, ./(г + г, )~~ Л/ СД~ ТКвх сели Т„= — Т; =- Т„то Р, = 1 + г;/г„„. Коэффициент шума усилителя ~г Р,=--1-[- —,"" =-1-~- ~ыь вх 4ИТ<гь [Рвк/('~+'вход Ь/ до ( ТИ (1 ) ~)' если Т; =- Т„то Г. = — 1+ ф,.„/г;) (1+г,/г,„)"-, Общий коэффициент шума можно найти, учитывая, что все шумы были отнесены к одной точке — выходу усилителя, в виде суммы Р= 1+(Р„„+Р„,.„)Р„, „„— — 1 1- Р„„/Р„,, +Р ~Р = — Г, +(~',— 1), т. е. Р =- 1 + г;/г„+ (й, „/г,-) (1 + г;/г,„)'. Для уменьшения коэффициента шума требуется низкая вели чина й,„, и высокая г,„. При согласованном входе, когда г,„= = г;, коэффициент шума Р > 2.
Найдем оптимальную величину г; путем дифференцирования выражения для Р и приравнивания результата нулю: ~~ко ~ /~зкв Дга гвх г~ откуда г;,„~ —— г„3/Й,„„/(г„, + Й,„.) . Подставляя зто значение в выражение для Р, найдем минимальную величину коэффициента шума при несогласованном входе Йэкв 1 2 1~ 1б~кв ~1 1 Йэкв 1 гюх г гни ~, гак / Для ламповых предусилителей можно считать г„„= — 10' Ом, й,„„, =- 200 Ом (триод), К„, == 700 Ом (пентод), т. е.
г;щ>~ — — 10 1 (200 —:700)/10 =(1,4 —:2,6) 10 Ом. Для предусилителей на полевых транзисторах благодаря их низкому шуму и высокой величине г,„ можно получить аналогичное значение г;,, в других случаях для транзисторных предусилителей г;, =- 10' =.10' Ом. Поскольку г; .== гг,/(г + г„). то, определив г; и зная из паспорта приемника г, можно найти г„ =- гг;/(г — г;); если г ~ г;, то г„ =. г;.
В этом случае отношение сигнала к шуму сохраняется, но абсолютные величины сигнала и шума могут оказаться слишком малымн, что вызывает целый ряд практических затруднений. Если величина сопротивления нагрузки уменьшается до !/10 от сопротивления приемника, а величина напряжении питания Е, и первичный сигнал Лг/г неизменны, то напряжение сигнала падает до 1/3 той величины, которую вырабатывает приемник в условиях точного согласования, так как Л~ (+ ) г Скомпенсировать это падение можно, увеличивая напряжение источника питания Е . Однако при этом увеличивается мош ность Щ., рассеиваемая приемником.
Ориентировочно можно считать, что предельная рассеиваемая мощность для приемников не превышает 0,1 Вт/см»; значит, если площадь приемника равна а (см'), то можно найти 7о = ЕоЦ(«+ «„) ' 7оо« ~ 0,1а, следовательно, Е, =-- (« -[- «,) )/0,1а/к. Эти и некоторые другие дополнительные соображения, относящиеся к выбору параметров приемника и входной цепи, можно найти в книге Хадсона аИнфракрасные системы». 5 14.
ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ДРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЕГО СПОСОБНОСТЬ ОБНАРУЖИТЬ СЛАБЫЙ СИГНАЛ Для того чтобы оценить способность приемника излучения обнаружить слабый сигнал, вводится специальная величина, называемая порогом чувствительности. Порог чувствительности Ф„, (Вт) равен той наименьшей мощности излучения, которая еще может быть обнаружена данным приемником излучения~Эта мощность, воздействуя на приемник, вызывает появление сигнала ~/ „, превышающего среднеквадратическое значение шума 1/,~~у~ в определенное число раз р, обеспечивающее уверенное обнаружение сигнала. Так как Ктор =' ~ Р"> Л Фпоре где 8 (Х, 1) — чувствительность (крутизна преобразования), зависящая при прочих равных условиях от длины волны падающего излучения Х и частоты модуляции потока 1, а по определению где Е (1) — спектральная плотность шума; Л~,„— шумовая полоса пропускания, то Ф„р =- р (~' Е (ДЮ (Х, Я $' Л~ .
Коэффициент запаса р может быть самым различным, в частности иногда его полагают равным 1,7, а иногда 6. Все зависит от того, как понимать содержащуюся в определении порога чувствительности неопределенность, выраженную словами мои1ноеть, которая еи1е может быть обнаружена, или уверенное обнаружение наличия сигнала. Действительно„если предполагается, что, используя прибор, измеряющий действующие значения, мы в состоя- гм нии заметить, что совместное действие сигнала и шума увеличило показания в два раза, т.
е. то легко найти, что следовательно, р = 1,7. Если же наблюдение шумовой дорожки ведется на экране электроннолучевой трубки так, как это показано на рис. 333, то Рис. 333. Повеление сигнала С на фоне шумов прн наблюдении на экране алекгроннолучевого индикатора с амнлигудной огмегкой: о — шум; б — сигнал, значительно прсвышавв1ий шум; в — пороговый сигнал. о — среднеквадратическое аначепие шума можно считать, что уверенное обнаружение появления сигнала произойдет, если его величина равна толщине шумовой дорожки- Предполагая, что эта толщина равна удвоенному значению отдел~ ных выбросов (пиков) шума, а при нормальном законе распределе ния выброс шума практически не превышает Зо, где о = 3~ ЬУв б!2 (вероятность превьппенпя уровня Зо равна 1,35 10 "), ггайдем ив„„=--2.З =-б~/ й„, т.
с. р =-- 6. Для того чтобы исключить неопределенность в выборе р, обычно полагают р = — 1, т. е. определяют порог чувствительности как минимальный поток излучения, вызывающий на зажимах приемника сипгал, равный среднеквадратическому зпаченикг игума. В этом случае порог чувствительности называют пороговым ггогиггком фотоприемника в заданной полосе частот (Ф„).
Он определяется как среднеквадратическое значение дег1спгвуговигего на фотоггриелгник синусоидально-модулированного гготока излучент, при котором среднеквадратическос значение фотосигнала равно средне- квадратическому значеншо шума в заданной полосе частот. Поскольку пороговый поток представляет собой мощность, эквивалентную мощности шума„его иногда называют эквивалентной лгои1- ностыо шума (ЗИШ) е: Ф.=Ь'~~ЛИР" И1 ЬХ=ЭМШ. Чтобы внести еще большую определенность, полагают, что Л~ ==. 1 Гц, т.
е. задают значение Ф„, =-- Ф„Д/ Л~'„„ выраженное в Втг'Гцгг'. Многочисленные исследования показали, что для большинства приемников излучения, в широком интервале условий их использования и геометрических размеров, пороговый поток (эквивалентная мощность шума) примо пропорционален корню квадратному нз площади чувствительного слоя приемника а (сы"), т. е. Ф. =Ф 1'а, где Ф,' ==- Ф,гй'"а =- Ф„г)у а Ь|, выражается и Втгсм Гцгу~. Величину Ф' называют удельным пороговым гготоком фотоприемника, который приставляет собой пороговый попгок в единичной полосе частот, отнесенный к единичному по гглоигади фопючггвспгвипгельному элементу (ГОСТ 19852 — 74).
Поскольку пороговый поток (эквивалентная мощность шума) зависит от длины волны падающего излучения н частоты модуляции потока, всегда указывается, для какой длины волны моно- хроматического излучения и какой частоты модуляции он задан. Длина волны обычно выбирается соответствующей максимуму спектральной характеристики приемника Е,„, а частота моду- ' В ~ о юоа оатуо ыо ~т а ' о Икр юсиа слов Ко!зе ЕЧвгчв!его Роруег. гт гтг.
М. Иатроввтииои лицин может быть различной, но обычно она составляет 10, 90, 400, 800, 900, 1000 Гц или находигся вблизи этих значений (ча стота модуляции 1000 — 25 Гц установлена ГОСТ 18167 — 72, частота 800 =" 20 Гц — ГОСТ 17772 — 72. Если пороговый поток определяется не для монохроматического излучения с длиной волны Х, а по отношению к излучению абсолютно черного тела, имеющего температуру Т(К), то он называется интегральным. Соотношение между интегральным и спектральным пороговыми потоками определяется коэффициентом использования потока излучения фотоприемником данного типа ~=1всц Дв и его относителыюй спектральной характеристикой Й (Х), т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
