1_4 (лекции по УППС (УПОС))

1.4 ВНУТРЕННИЕ ШУМЫ

Источники внутренних шумов в приемнике – пассивные элементы цепей, обладающие омическим сопротивлением, и активные приборы, работа которых основана на принципе управления потоками носителей заряда в твердом теле или вакууме.

Под воздействием теплового возбуждения имеющиеся в каж­дом омическом сопротивлении свободные носители заряда хаоти­чески перемещаются, создавая флуктуационные токи и падения напряжения на этом сопротивлении. Эти процессы на­зываются тепловыми шумами, их средние значения равны нулю, а энергетический спектр может считаться равномерным до частот порядка 10¹¹... 10¹² Гц – «белый шум». Таким образом, любой элемент цепи с омическим сопротивлением, находящийся при тем­пературе, отличной от абсолютного нуля, может быть представ­лен в виде эквивалентного генератора шумовой ЭДС E_ш или ге­нератора шумового тока I_ш с «не шумящим» внутренним сопро­тивлением R. Энергетические спектры шумовых ЭДС E_n= E_ш и тока I_n= I_ш оп­ределяются формулами Найквиста, а их средние квадраты (дис­персии) равны соответственно

= 4kTRП_ш , = 4kTП_ш/R,

где k = 1,3810^–23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура цепи, К;

П_ш – шумовая, интегральная или энергети­ческая полоса, Гц.

Шумовая полоса, в пределах которой вычисляются или измеря­ются шумы определяется соотношением

П_ш = ,

где (f) – нормированная АЧХ усилительного тракта (УТ).

Величина kT характеризует интенсивность тепловых флуктуаций в полосе частот 1 Гц при R = 1 0м.

Ис­точники шумов в полупроводниковых приборах имеют различную физическую природу.

Шумы биполяр­ных транзисторов (БТ) в радиочастотном диапазоне имеют три составляющие: 1) тепловые шумы объемных сопротивлений областей базы, эмиттера и коллектора; 2) флуктуация заря­да, протекающего через эмиттерный и коллекторный переходы (дробовый шум); 3) флуктуация коллекторного и базового токов, обусловленная случайным процессом рекомбинации носителей за­ряда в базе.

Уровень шумов полевых транзисторов (ПТ) меньше, чем БТ. Источники тепловых шумов ПТ: объемные сопротивления истока и стока; канал, который можно рассматривать как управляемый ре­зистор. Кроме того, следует учитывать дробовый шум тока утечки затвора.

Для количественной оценки шумовых свойств усилительного прибора (УП) используется эквивалентная схема, состоящая из не шумящего прибора и генераторов шума – рис.1.7.

Шумы на входе транзистора обусловлены не­сколькими источниками, поэтому для удобства расчетов принима­ют, что основная часть этих шумов возникает в эквивалентном шумовом сопротивлении R_ш, определяющем шумовую ЭДС.

= 4kTRП_ш (1.3)

– сред­ний квадрат шумовой ЭДС.

Генератор шумового тока учитывает шумы, наведенные в цепи управляющего электрода транзистора, а также тепловые шумы. Средний квадрат этого тока

= 4kT t_ш G₁₁ П_ш , (1.4)

где t_ш = T_ш/T₀ — относительная шумовая температура транзистора, показывающая, во сколько раз температура нагрева Т проводи­мости G₁₁

должна быть больше нормальной температуры T₀ = 293 К (20 °С), чтобы генератор тока I_шВХ создавал шумы, экви­валентные тем, которые наводятся в цепи управляющего элек­трода.

Шумовые свойства БТ зависят от усиления, ре­жима питания, способа включения прибора. Шумовое сопротивление R_ш для БТ составляет десятки ом, относительная шумовая температура t_ш  l.

Шумовые свойства ПТ в основном определяются тепловыми шумами канала и характеризуются шумовым сопротивлением R_ш= (0,6 ... 0,75)/S, где S — крутизна сток-затворной характеристики, а ко­эффициент в числителе зависит от материала, геометрии, технологии производства и других особенностей транзистора. Второй заметной шумовой составляющей являются тепловые шумы объемных сопротивлений истока и стока, определяемые выражением (1.4) при t_ш = 1. Дробовый шум тока утечки затвора мал, и его можно не учитывать.

Источники внешних шумов для приемника: 1) приемная антенна – ее ак­тивное сопротивления потерь; 2) излучения космоса, атмосферы и Земли.

Шумы сопротивления потерь обычно незначительны. Об­щие шумы антенны можно оценивать средним квадратом ЭДС шума от внешних излучений:

_A = 4kT_A R_A П_ш, (1.5)

где R_A — сопротивление излучения антенны; T_A= t_A T₀ — эквивалентная шу­мовая температура антенны, т. е. температура, при которой на­ходится сопротивление R_A, шумящее так, как шумит реальная ан­тенна.

T_A= T_К + T_атм + T_З,

где T_К – значение шумовой тем­пературы, связанное с попаданием в антенну кос­мических шумов; T_атм, T_З – значения шумовой тем­пературы, связанные с попаданием в антенну соответственно шумов атмосферы и теплового излучения Зем­ли.

Интенсивность составляющих T_A сложным образом за­висит от частоты, диаграммы направленности и ориентации антен­ны, времени приема и географического положения.

Для количественной оценки шумовых свойств РПрУ ис­пользуются один из параметров: коэффициент шума или шумовая температура. Эти параметры опреде­ляются для линейной части тракта, т. е. до первого нелинейного для малых сигналов и шумов звена – детектора.

Линейный шумящий преобразователь представим в виде четырехполюсника с входным сопротивлением R_ВХ и коэффициентом усиления (передачи) по мощности

К_Р = P_СВЫХ /P_СВХ,

нагруженный на сопротивление R_Н. К входным зажимам подключается источник сигнала с выход­ным сопротивлением R_Г, являющийся одновременно и источником тепловых шумов с ЭДС _A, квадрат которой _A = 4kT_A R_A П_ш.

При согласовании источ­ника сигнала с входом преобразователя (R_Г = R_ВХ) на входном сопротивлении последнего рассеивается максимальная (номиналь­ная) мощность шумов

P_шВХном= E²_ш/4R_ВХ= E²_ш/4R_ = kTП_ш.

На практике часто имеет место рассогла­сование источника сигнала и преобразователя (R_Г  R_ВХ); при этом на R_ВХ рассеивается меньшая шумовая мощность P_шВХ = kTП_ш, где  = P_шВХ/P_шВХном — коэффициент рассогласования, зависящий от соотношения сопротивлений R_Г и R_ВХ:

 = (R_ + R_ВХ)² / 4 R_ R_ВХ, при R_ = R_ВХ  =1.

В преобразователе сигнал и шумы усиливаются или ослабляют­ся в Кр раз, и если бы он был идеальным (не шумящим), на его нагрузке сопротивлением R_Н рассеивалась бы мощность шумов

P_шВЫХи = P_шВХ K_p= kTП_шK_p,

обусловленная лишь шумами источ­ника сигнала, находящегося при температуре Т. В реальном преобразователе к этим шумам добавляются его собственные шу­мы мощностью P_Шсоб, в результате на нагрузке рассеивается большая шумовая мощность

P_шВЫХ = P_шВЫХи + P_шсоб.

Коэффици­ент шума показывает, во сколько раз мощность шумов на выхо­де реального преобразователя превышает мощность шумов на выходе не шумящего преобразователя – идеального четырехполюсника

Ш = P_шВЫХ / P_шВЫХи = 1 + P_Шсоб / P_шВЫХи = 1 + P_Шсоб / (kTП_шK_p). (1.6)

Коэффициент шума за­висит от шумовых свойств источника сигнала, обусловленных его температурой Т, т. е. не может служить объективной мерой шу­мовых характеристик преобразователя – четырехполюсника. Для устранения этой неоднозначности принимают шумовую температуру источника сиг­нала равной комнатной T₀.

Добавление собственных шу­мов ухудшает отношение сигнал/шум на выходе преобразователя P_сВЫХ/P_шВЫХ по сравнению с входным отношением

P_сВХ/P_шВХ, поэтому коэффициент шума можно определять соотношением

Ш = P_сВХP_шВЫХ/P_сВЫХP_шВХ.

Чем выше уровень собственных шумов преобразователя – четырехполюсника, тем больше коэффициент шума отличается от единицы. Для идеаль­ного не шумящего четырехполюсника Ш = 1. Коэффициент шума пассивного преобразователя (фидер, ВЦ) в общем случае

Ш =  /K_p,

а при его согласовании с источником сигнала и нагрузкой Ш = 1 /K_p, т. е. определяется коэффициентом передачи цепи по мощ­ности.

В пассивной цепи с потерями K_p < 1, Ш > 1.

Усилительный тракт РПрУ представляет собой последовательный ряд активных и пассивных преобразователей, линейных для слабых сигналов и шумов. Важно иметь возможность оценить общий коэффициент шума приемника с уче­том шумовых вкладов отдельных каскадов и цепей. Основываясь на приведенных выше соотношениях, нетрудно определить общий коэффициент шума тракта, ес­ли известно, что образующие тракт преобразователи имеют одинаковую шу­мовую полосу П_ш, обладают коэффициентами передачи по мощности K_Рi, коэффициентами шума Ш_i, а коэффициен­ты рассогласования на их стыках _i .

При согласованности каскадов между собой

K_P1= K_P1ном, K_P2= K_P2ном, …;

Ш = Ш₁ + (Ш₂  1) /K_P1ном + (Ш₃  1)/K_P1номK_P2ном + … (1.7)

Для супергетеродинного приемника, усилительный тракт (УТ) которого вклю­чает ВЦ, УРЧ, ПЧ и УПЧ, из (1.7) получаем