69002

Шуми електронних приладів. Фізична природа шумів

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Шуми або флюктуації є випадковими процесами. Виникають з подачею напруги живлення на електроди елементу. Їх можна прослуховувати через динамік на вході радіоприймача і підсилювача або побачити на екрані осцилог-рафа. Шуми накладаються на корисні сигнали та рівні постійних напруг і струмів живлення...

Украинкский

2014-09-28

186.5 KB

4 чел.

19.Шуми електронних приладів

19.1Фізична природа шумів

Шум є важливим параметром електронних пристроїв. Бажано, щоб рівні шумів були малими. Від рівнів шумів залежить чутливість пристроїв підсилення і перетворення. Чим менший рівень шумів, тим менший сигнал можна підсилю- вати.

Шуми або флюктуації є випадковими процесами. Виникають з подачею напруги живлення на електроди елементу. Їх можна прослуховувати через динамік на вході радіоприймача і підсилювача або побачити на екрані осцилог-рафа. Шуми накладаються на корисні сигнали та рівні постійних напруг і струмів живлення ( рис. 19.1).

Рис.19.1.  Шуми на виході підсилювача:

а- при відсутності сигналу;   б- при імпульсному сигналі.

Шуми виникають завдяки руху носіїв заряду ( електронів і дірок).

Їх класифікують за природою виникнення :

  •  шуми струму емісії ( дробовий ефект );
    •  шуми струморозподілу ;
    •  шуми миготіння ;
    •  теплові шуми ;
    •  шуми наведення ;

Шуми струму емісії  визначають хаотичним рухом електронів.

Шуми струморозподілу  виникають завдяки безладній зміні струмів після їх розгалуження.

Шуми миготіння  визначаються флюктуацією провідності напівпровід-ника.

 Теплові шуми  визначаються температурою. Вони збільшуються із зрос- танням температури.

 Шуми наведення виникають при впливі потенціалів електродів на області напівпровідника або інші електроди.

Шуми елементів різних типів мають особливості.

19.2.Параметри шуму

До параметрів, шуму відносяться:

  •  шумовий струм ;
    •  шумова напруга ;
    •  коефіцієнт шуму  ;
    •  шумовий опір ( провідність)

Шумовий струм – це флюктуації струму електродів. Визначається, як випадковий процес, квадратом діючого значення

Іш2 = 2еІср ,

де  Іср- середнє значення стуму ;

- смуга частот, в якій визначається струм шуму ;

е- заряд електрона.

З формули виходе, що для зменшення шумового струму необхідно працювати з вузькими смугами пропускання.

 Шумова напруга – це шум електродів. Він приводиться до вхідного елект-роду. Це дає можливість порівняти вхідний сигнал з рівнем приведеного шуму. Шумова напруга електронних ламп приводиться до сітки управління

Um 2c =  ,

де Іш2 – шумовий струм анода ( катода );

     S – крутість характеристики.

Чим більша крутість S , тим менша шумова напруга і вища порогова чут-ливість ламп. Шумова напруга для БТ приводиться до бази

Um2вх = Pm вхRr,

де  Pm вх – потужність шуму, приведеного  до входу ;

      Rr – опір генератора ( попереднього каскаду).

Шумова напруга ( польового транзитора ) приводиться до затвору.

 Коефіцієнт шуму  елемента ( лампи, транзистора ) знаходиться за такою схемою ( рис.19.2).

                                                                                                                 

                                                                                                                         

                                                                                   

Рис.19.2.  Схема знаходження коефіцієнта шуму

 

До схеми входить генератор, рівень шуму якого Ршг відомий і елемент з відомим коефіцієнтом підсилення Кр, коефіцієнт шуму якого треба знайти.

 Коефіцієнт шуму  визначається за формулою

Кш =  ,

де  Рш вих – потужність шуму на виході елемента ;

               Кр – коефіцієнт підсилення елемента ;

      Ршг – потужність генератора шуму.

Добуток  КрРшг є часткою вихідного шуму за умов відсутності шуму елемента.

Якщо привести шум до входу елемента, то отримаємо

Рш. вих =

Тоді

Кш =  = .

 

Для біполярного транзистора  Кш = f ( rб1, )

Тобто малий коефіцієнт шуму мають БТ з малим опором бази rб1  і  великим ко- ефіцієнтом підсилення струму , а також малим струмом емітера  ІЕ та тепло- вим струмом  ІКБо . Від напруги Uк  коефіцієнт шуму не залежить.

 Шумовий опір ( провідність) визначається напругою та шумовим струмом.

19.3. Шуми біполярного транзистора

Основними шумами БТ є:

  •  дробовий шум переходу КЕ;
    •  тепловий шум бази;
    •  шум струморозподілу;
    •  шум миготіння .

Розглянемо шумовий опір ( провідність ) БТ.  Ці параметри описують шумо-ві властивості БТ на високих частотах. Вони потрібні для розрахунку опору вхід-ного ланцюга при мінімальному коефіцієнту шуму.

Шумовий опір  БТ  визначається:

- тепловою, шумовою напругою на опорі бази rб1

       = 4кТrб1

 та переході rЕ

        Uш2E = 2кТrЕ ;

- тепловим шумом струму

  Іш2 = 4кТ ,

який  проходе через опори rб1 та rЕ

Тоді Rш = ,

де  +    

Rш = =  = rб1 +rЕ

 Шумовий опір  Rш , якщо його підключити в ланцюг бази ідеального ( без шуму ) транзистора, утворює на його виході такий же шум, який утворюється сумою шумових напруг +  при струмі Іш2 .

 Шумова провідність   БТ  Gш визначається :

  •  шумовим струмом струморозподілу Іш2ср та дробовим шумом колекторного переходу  Іш2КБо ;
    •  шумовою напругою Uш2

Тоді Gш = = = (1 – )ІЕ .

 Шумова провідність Gш , якщо її підключити в ланцюг  бази ідеального

( без шуму ) БТ, утворює на виході такий же шум, який утворюється сумою струмів  ( струмом бази ) при напрузі .

 Таким  чином, еквівалентна схема  БТ з урахуванням його шумових влас-тивостей складається з двох джерел  шума: шумового опору Rш та шумової про- відності Gш ( рис.19.3 )

                  Рис. 19.3.   Еквівалентна шумова схема БТ

Через параметри  Rш і Gш  можна виразити коефіцієнт шуму

Кш = = ,

= 4кТRrf ;

= 4кТRшf ;

= 4кТGшf  .

Кш = 1++.

Для більш точної шумової моделі транзистора необхідно врахувати кореляцію між флюктуаціями, обумовленими різними джерелами шума.

Для цього використовують кореляційну провідність Yкор , яка характеризує зв’язок між складовою шумового струму бази  та шумовою напругою

 = •Y 2кор

 = 4кТRшfY 2кор.

Коефіцієнт шуму БТ на низькій частоті визначається тільки шумами миго-тіння  .

Кш = =,

  де  = Рш г + Ршм – потужність шуму, приведеного до входу.

Тоді  Кш = = 1+,

де Ршм – потужність шумів миготіння, пропорційна квадрату шумової напруги на вході ( опір Rr та rб1 ) утвореної шумовим струмом миготіння

        

Ршм = Uш2м = ( Rг +  rб1)2 Іш2м = А;

 Рш г - потужність шумів вхідного генератора

  

Рш г = 4кТRг f

   

Тоді

Кш н.ч = 1+ Аf = 1+                             ( 2 )

               де  А1=  .

Коефіцієнт шуму залежить від внутрішнього опору Rг  вхідного генератора та частоти f.  При високому внутрішньому опорі генератора коефіцієнт шуму підвищується. Тому БТ недоречно застосовувати в вхідних ланцюгах низько- частотних  чутливих вимірювальних пристроїв, приймачів, підсилювачів звуко- запису та відтворення, які мають високоємні вхідні джерела коливань.

 

БТ гірші за шумовими параметрами ніж лампи та польові транзистори.   

 

Експериментальна залежність Кш від частоти  зображена на рис.19.4

    Рис. 19.4                    

Ділянка 1 визначається шумами миготіння ( f1 = 0,1 – 1 кГц), ділянка 2 – тепловими, дробовими шумами, ділянка 3 визначається зменшенням коефіцієнта передачі струму  .

Частоту, на якій коефіцієнт Кш подвоюється, називається граничною часто-тою ( робочою ) малошумового транзистора.

fш 

Значення коефіцієнта Кш приводиться в документації. Для БТ

Кш = 10...100.  Найменший коефіцієнт шума мають транзистори КТ501 В,Е

( Кш 2дБ),  КТ368 А,Б ( Кш = 3,3дБ).

Приклад . Транзистор має Кш = 10 на чостоті  f  = 1 кГц, опором  джерела                                                                               сигналу Rг = 500 Ом. Знайти напругу шуму, приведену до вхо-ду, в діапазоні   f = 20...20000 Гц при Т = 300К .

Uш вх =  = 0,5 мкВ,

U2ш вх = 4 к Т Rr f 

       U2ш вх  = Рш вх Rr

19.4. Шуми польових транзисторів

Основними шумами ПТ є:

  •  дробові ( Ісв ) повязані з наявністю струму стоку ;
    •  теплові – рух носіїв в областях каналу, стоку, витоку ( Іr ) ;
    •  миготіння (Ім) обумовлені рухом домішкових атомів поверхневого шару н/п;
    •  наведення ( Ін ) із каналу в затвор через Сзч  

Перші дві складові рівномірно розподілені за частотою ( рис.19.5 )

                          Рис.19.5.   Шумові струми ПТ

Перші дві складові рівномірно розподілені за частотою ( рис.19.6 )

                Рис.19.6    Частотна залежність шумових струмів в ПТ

Шуми миготіння більші на НЧ і пропорційні  , де m = 1,2.

Шум наведення зростає із збільшенням частоти  f  завдяки зменшення опо-ру  ємності Сзк .

Менший рівень шуму мають транзистори з р-n переходом, оскільки їх канал розміщений  вглибині н/п і тому у нього менше шуму миготіння. У них коефіцієнт шуму 2 – 4 дБ, а у МДН – 4-6 дБ.

У ПТ відсутні шуми пов’язані з рекомбінацією зарядів, тому вони мають коефіцієнт шуму менший ніж БТ.

19.5. Шуми електронних ламп

Шуми  ЕЛ  пов’язані з рухом електронів .

 Шуми струму емісії ( або дробовий ефект ) – визначаються тепловим рухом електронів в лампі від катоду до аноду.

Шуми струморозподілу виникають завдяки безладній зміні траєкторії електронів від катоду до сіток і аноду.

Шуми миготіння проявляються завдяки зміні роботи виходу електронів  з катоду під дією фізико-хімічних процесів на його поверхні. Шуми миготіння суттєві на низькій частоті ( НЧ )  і знижуються із зростанням частоти за з-ном  

Крім того, на НЧ суттєве значення мають “ шуми гудіння ” , які обумов-ленні  недосконалістю ізоляції підігрівача відносно катода та нестабільністю емісійної здатності окремих ділянок поверхні катоду. Вони мають частоту 50 Гц і її гармоніки. Для їх усунення застосовують живлення нагрівача катоду постійним струмом.

Шумові властивості лампи характеризуються шумовими параметрами :

  •  шумовим струмом ;
    •  шумовою напругою;
    •  коефіцієнтом шуму.

Шумовий струм. Це флюктуації анодного струму. Характеризуються, як випадковий процес. Квадратом діючого значення Іаш2.

Для діода в режимі насичення справедливе співвідношення 

Іаш2 = 2еІеf ,

 де  Іе – середнє значення струму емісії;

      f  - полоса частот, в якій вимірюється струм Іаш2 ;

       е – заряд електрона.

Тобто енергія шуму діода рівномірно розподілена по частотному спектру і потужність шуму пропорційна смузі частот, в якій цей шум вимірюється.

Шумовий струм лампи з сітками визначається шумовими струмами аноду та сіток.

Флюктуації струмів лампи на виході підсилювача є рівномірним шумом, який називають  власним шумом лампи. Власний шум лампи визначає мінімальний пороговий сигнал, який  ще можна прийняти. Підвищення  порогової чутливості приймальних пристроїв являється одною з проблем сучасної техніки. Особливо в широкосмугових підсилювачах, оскільки рівень шумів зростає пропорційно ширині смуги пропускання підсилювача.

 Шумова напруга. Для практичних цілей зручно перераховувати шуми в ланцюг сітки,  так як при цьому їх можна безпосередньо порівнювати з напругою сигналу, який подається на сітку управління. Тоді шумова напруга в сітковому ланцюгу буде

U2ш с = ,

 де І2ш а – шумовий струм в анодному ланцюгу.

Чим більша крутість S тим менша шумова напруга U2ш с і вища порогова чутливість лампи.

U2ш с =

 

 

7


Генератор

шуму

Елемент,

Кр

Рш г

Рш вих

Gш

Rш

б

а

U

U0

t

шум

U

t

Ікт

Ім

Ім

Ім

З

В

С

Сзк

Ін

Ів

Іс

Іс

Кш

А

fm

3

2

1

f

Іш

        Іс

   Іт

Ін

Ім

f


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30252. Эталонная модель взаимодействия открытых систем 347.85 KB
  Каждый уровень предоставляет услуги уровням расположенным непосредственно ниже и выше его в стеке. Служебная информация представляет собой заголовки и иногда постинформацию которые обрамляют данные полученные с вышележащего уровня. В известном смысле форма состоящая из заголовков и хвостов это оболочка которая является носителем сообщения полученного от вышележащего уровня. В сущности протоколы выполняющиеся на различных уровнях взаимодействуют с протоколами расположенными на точно таком же уровне другого компьютера.
30253. Ethernet 1.3 MB
  Хотя оба эти типа фреймов формально содержат поле “типа†оно применяется только для обозначения обшей длины пакета а не типа используемого протокола поэтому фреймы этих двух типов подходят только для протоколов 1PX SPX. С этого момента переходим к описанию полей фрейма канального уровня перечень которых приведен ниже. В этом поле находится МАСадрес получателя. В этом поле находится МАСадрес отправителя.
30254. Основные методы (школы) литературоведения. Мифологический метод 37.5 KB
  Мифологический метод Мифологическое литературоведение. Как особый метод мифологическое литературоведение сформировалось в 30ые г. в Западной Европе хотя еще со времен Средневековья существовала герменевтика истолкование священных изотерических текстов которая имела филологическое и мифологическое понимание. Философская основа классической мифологической школы стала эстетика Шеллинга братьев Шлегеллей которые утверждали что в основе всякой культуры литературы оказывается мифология.
30255. Основные методы (школы) литературоведения. Мифологический метод в русском литературоведении 37.5 KB
  Мифологический метод в русском литературоведении Мифологическое литературоведение. Как особый метод мифологическое литературоведение сформировалось в 30ые г. в Западной Европе хотя еще со времен Средневековья существовала герменевтика истолкование священных изотерических текстов которая имела филологическое и мифологическое понимание. Философская основа классической мифологической школы стала эстетика Шеллинга братьев Шлегеллей которые утверждали что в основе всякой культуры литературы оказывается мифология.
30256. Основные методы (школы) литературоведения. Основные методы (школы) литературоведения. Психоаналитический метод 31 KB
  Психоаналитический метод Эта влиятельная в литературоведении школа возникла на основе учения австрийского психиатра и психолога Зигмунда Фрейда 1856 – 1939 и его последователей.
30257. Основные методы (школы) литературоведения. Формальный метод 26.5 KB
  Формальный метод Общество изучения поэтического языка научное объединение созданное в 1916 18 группой лингвистов Е. Печатный орган Сборники по теории поэтического языка в. были теория поэтического языка и стиха Поливанов Якубинский Брик; Эйхенбаум Мелодика русского лирического стиха 1922; Тынянов Проблема стихотворного языка 1924 2 изд.
30258. Цели и задачи теории литературы 45 KB
  Цели и задачи теории литературы Литературоведение – наука о литературе. Она охватывает различные области изучения литературы и на современном этапе научного развития делится на такие самостоятельные научные дисциплины: теория литературы изучает социальную природу специфику закономерности развития и общественную роль художественной литературы и устанавливает принципы рассмотрения и оценки литературного материала история литературы исследует процесс литературного развития и определяет место и значение в этом процессе различных литературных...
30259. Взаимосвязь теории литературы с другими науками 34.5 KB
  Взаимосвязь теории литературы с другими науками Современное Л.: теория литературы история литературы и литературная критика. Теория литературы исследует общие законы структуры и развития литературы. Предметом истории литературы является прошлое литературы как процесс или как один из моментов этого процесса.
30260. Первый этап формирования литературоведческой науки: от античности до средневековья 125 KB
  Исторический взгляд на поэтику стал возможен после того как сложилось понятие всемирной литературы ввел Гэте. развития человечества которым в свою очередь обусловлено единство развития литературы. Далее у Чернец идет про литературную критику теорию и историю литературы т. региональная и национальная специфика литературы.