Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций (1998) (1166121), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Раздел 4. Линсйныс элсктронпыс умройства В справочной литературе значение К,. обычно приводится в децибелах и- рассчитывается по формуле к.„,/дБ) =20 18К„, (18.40) Дня реальных дифференциальных усилителей Х.,„.=40... 160 дБ. Дня увеличения К,,„, целесообразно вместо сопротивления /1, использовать, источник тока. Схема ДУ с транзисторным источником гока приведена ~га. рис. 13.15 а.
Дифференциальный усилитель может работать и с несимметричными входными сигналами, как показано на рис. 18.15 6. Лекция /9. Предельнаи чуастаительность и шумы электронных усилителей Источники шумов. Исечичника.яя шулиав усилителей являются резистивные эле-.: менты, а также различные усилительные приборы: транзисторы, электронные; лампы, диоды и др. Выбор транзистора или лампы для высокочувствигельпого "' усилителя зависит от двух парамесров: нх собственных шумов и входного сопро- .' тивления. Собственные шумы входного каскада усилителя определяют его чув- ., ствительность, а входное сопротивление — условия согласования с источпнксн .
сигнала. Собственные шумы резистивных элементов зависят от их сопротивления )1 " илн проводимости С и определяются по формуле Найквиста: /)...,=;,~4/<ТЯЦ, /„,=!4/сТОЦ, где /з'., и Х,, — среднеквадратичные значения напряжения и тока шума„соответ- '~ ственно; /с=-1,33.10 "Дж/К вЂ” постоянная Больцмана; Т вЂ”. абсолютная температу-, ра в К; Я='6 ' сопротивление в омах; 6/ .— полоса частот в герцах.
Так, например, источник сигнала с внутренним сопротивлением Я„=10к0м'-:, при температуре Т=ЗООК и полосе частот ~=10кГц имеет напряжение шума //,„,,=),З-10:"т//1„ЛТ=),З 10 с В=),З В Могдпость тепловых шумов сопротивления не зависит от значения сопротив-, ';, ления и определяется по формуле ''й Р„.,=~',К„= й"' =4КТЦ. /1 92) В полосе частот ЬТ=-10кГц мощность тепловых шумов равна Р,„= 1,6-10 " 104 = 1,6 10 "Вт. В транзисторах и электронных лампах действуют трн основных вида шумов; 1) полный дробовый шум„вызываемый током утечки управляющего электрод' „:.",ь !96 Лекция 19. Предельная чувствительность и шумы элект сивых усилителей ::,"(затвора транзистора или сетки лампы), 2) дробовый шум анодпого тока лампы '.вли тепловой шум проводящего канала транзистора, 3) генерационно-рекомбипа.;:,:. диопный шум транзистора или шум мерцания катода лампы (фликкер-шум).
Ток дробового шума управляющего электрода определяется выражением (!9.3) ,!:где 1, — ток управляющего алек~рода; 9=1,6.10 "Кл — — заряд электрона, ф— :.:волоса частот В электронных лампах, которые работают с отрицательным напряжением .::вмещения на сетке. ток утечки сетки имеет значение 10 '...10 '"А, В полевых :- транзисторах с управляющим р-л-переходом ток утечки лежит в пределах ;-;;-"10", 1О "А. В полевых транзисторах с изолированным затвором ток утечки зат:, вора очень мал и составляет 1О '"... ИГ" А. В биполярных транзисторах ток базы ; сравнительно велик и лежит в пределах 10 '...
1О "А Тепловой шум проводящего канала транзистора и дробовый шум анодного (~::,'.'тока лампы приблизительно равны шуму, создаваемому сопротивлением 11,„„и 1'' ввлряжелие теплового шума определяется выражением е,е =4)еТР,„Ц. (19.4) Генерационно-рекомбинационный шум транзистора и шум мерцания катода ',!-:.лампы имеют зависимость вида 1/): Полное напряжение шума определяется по формуле е,', =-е',.(1+7',7'7') Выражение (19.5) показывает, что напряжение шума растет при понижении сс::-частоты и на частоте 1', напряжение тепловых шумов (19.4) становится равным :;:-':вапряжению низкочастотных шумов.
Коэффициент шума усилителя. Для оценки шумовых свойств ламп, транзисто'!,ров и усилителей в целом можно пользоваться эквивалентным напряжением .:.;, шумов, эквивалентным сопротивлением шумов или коэффициентом шума. Наибо':лее универсальным шумовым параметром является коэффициент шума, который ': тюзволяет определять и сравнивать по единой методике шумовые свойства гран;-.
исторов, ламп и усилителей в зависимости от частоты, внутреннего сопротивле:,':.ния источника сигнала и др. Расчет коэффициента шума усилителя можно производить с помощью эквива:: Лситлых генераторов шума холостого хода и короткого замыкания. Эта методика ': основана на замене шумящего усилителя нешумящим, на входе которого включе::::.,ны генераторы шумового тока )„и напряжения е,,„. Схема такой замены приведена ' ва рис. 19,1 Такой подход имеет определенные преимущества, поскольку величины экви,'валептных входных шумов могут быть измерены, Коэффициент шума и оптималь:Вое сопротивление источника сигнала также можно выразить через эти два пара.'-;метра.
Значения е' и 1,„. можно определить независимо друг от друга. Для опре- деления е„, выходной шум усилителя при коротком замыкании на входе 197 Раздел 4. Линейные злект онные устройства б) Рис. 19 1 Экеияалеитиая схема озумяихе~о 1а] и иемумяшего Оо) усилителя сравнивается с выходным напряжением, производимым малым известным вход-:: ': ным напряжением, Для определения зм выходной шум усилителя при разомкнутом входе сравнивается с выходным напряжением, производимым малым известным:- током на входе.
Оба источника и,, и е', могут быть введены в схему усилителя с . обратной связью без изменения значения. По этой причине значения шумовых '-,; геператоров почти не зависят от схемы включения транзистора или лампы, а оп-, ределяются только их типом и режимом работы. Коэффициент шума усилителя определяется отношением полной мощносуй шумов Р. „,„, на выходе усилителя (исключая шумы нагрузки) к той части шумов:;.' на выходе, которая вызвана тепловыми шумами сопротивления источника сигна-;:: ла Р„,„„м„: где Рмк=4КТЬ) — мощность шумов сопротивления источника сигнала, Р„,-- мощность шумов усилителя па входе, Кл -- коэффициент усиления по мощности, Мощность шумов на входе усилителя можно определить по формуле Р„е = 1 + „Ьуау 11'., К, + Л ' -е 2р е'„е',„), 119.7) где О р<1 -- коэффициент корреляции шумов дм и,,; если источники шумов е и 1„, независимы„то р=О, при их тесной взаимной зависимости р = 1.
Из формулы (19,7) можно определить оптимальное сопротивление источника,' сишеала, при котором коэффициент шума щановится минимальным: дР„/дЯя .= О, откуда ем ея, Определение коэффициента корреляции шумов р можно производить по фор- "-,:: муле (19.8), измеряя значение Р.„,„, при оптимальном сопротивлении псточпика'.,:,':"- сигнала Я„„,„,.
Если же сопротивление источника сигнала сделать много больше .".! или много меньше оптимального значения, то коэффициент шума будет зависеть только от одного из двух генераторов шума. Для каждого сопротивления исгоч-;: з ника сигнала можно определить коэффициент шума, пользуясь вычисленныма':,';.":;:.: или измеренными значениями е и ее. по формуле П9.7). 198 ! Поскольку для транзисторов и электронных ламп корреляция шумов е„и 1„, ,1 гвесьма мала, то р=О, и коэффициент шума можно определять по формуле 2 л ~~е 1 4,'п~„лу' 11 1~' где и'„,„=е' +1' )с„'-- напряжение шума, приведенное к входу усилителя.
В справочной литературе обычно приводятся значения полного напряжения ;';:шума и при заданном сопротивлении источника сигнала или коэффициент шума 1: тм„„,. Типовые зависимости коэффициента шума от частоты и сопротивления е:: источника сигнала приведены на рис. 19.2, Если известно значение коэффициента ~'-,. шума усилителя (или входного транзистора), то при заданном значении сопротив- ~;:;.-' лепия )сл источника сигнала можно определить напряжение шума, приведенное ко "- входу усилителя по формуле (19 9) и„л =,,'4)сТР.„Ь~(Ё-11 (19 О) Для нешумяшего усилителя и =О„что соответствует минимальному значению с:. коэффициента шума У=1.
Обычно коэффициент шума оценивают в децибелах„ !! 'поэтому для пешумящего усилителя Г=ОдБ. Предельная чувствителынкть усилителя. Предельную чувствительность уси;:: лятеля принято оценивать отношением сигнал-шум: (19.11) гг1 ':, где 11„- — действующее значение напряжения источника сигнала, БГ -- средне,:: квадратичное (действующее) значение напряжения шума. Принято считать, что минимальный уровень сигнала У„„„„определяется из - уатовия С/Ш=1, т. е. У,'„„„,=У', или О, „„,=У .
Отсюда следует, что без усилителя минимально различимый сигнал определя::;:.: ется напряжением шума сопротивления источника, т. е. У„,и= У„„. и) Г., дБ б) Г,„,, дБ 10 0 Иа 10б 109 Х ГЦ ~~ее« Ае ' Рис. 19Д, Тиловые зависимости коаффнлиента шума ат ластотм (а) и соллотлвлелил истолника сигнала (б) 199 раздсм 4.
Лввсйиыс элсхтронныс устройства Шум усилителя изменяет отношение (С7Ш)„„на отношение (С7Ш)„,,„. Это из. менение отношения сигнала н шума оценивают при помощи коэффициента шума, рассмотренного выше: тпО., о),п4,„6~„„, (19.12) где К„,,„=б;„„ь Кв --- мощность шума на выходе усилителя, О';,„,=47с7!т„ь| —, 4 мощность шума сопротивления источника сигнала. После подстановки значений ' с'ю»~ пи~ у~ау ,2 с (19.! 3):, что совпадает с уравнением (19.9). Найдем отношение сигнал — шум на выходе усилителя, пользуясь уравнена-1 ем (19.12) 1 С'~ ц2 с'2 (19.
14) Для определения минимально допустимого сигнала источника положим, что:- (С7Ш),„,„=1 и из уравнения (19.14) найдем: (19,15);. Уравнение (19.15) определяет предельную чувствительность усилителя в виде.- уровня мнпималыюго входного сигнала источника, при котором на выходе усилите- '. ля выполняется условие равенства напряжения сигнала напряжению шума. Из этого ': уравнения следует, что при расширении полосы пропускания усилителя и увеличепия,- его коэффициента шума предельная чувствительность усилителя ухудшается. Построение малошумящих усилителей. При построении малошумящих усили-:.': телей приходится решать несколько проблем: выбор усилительного элемента: биполярный или полевой транзистор, .элек-,,-'" тро1шая лампа, операционный усилитель и др.; . выбор режима работы усилительного элемента: напряжения питания, тока '.:,:. коллектора или стока и др.; возможность согласования сопротивления источника сигнала по шумам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
