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

10133. Образ науки в философии позитивизма 50 KB
  Образ науки в философии позитивизма. В ХIХ в. О.Конт Дж. Милль Г.Спенсер разрабатывают позитивистскую концепцию науки. Позитивистский образ науки характеризуют: а представление о науке как эталоне познания радикальный сциентизм, б идея строгости и точности нау...
10134. Образ науки в философии неопозитивизма 38 KB
  Образ науки в философии неопозитивизма Следующая важная веха в формировании науковедения связана с неопозитивизмом в п.о. с деятельностью Венского Главой кружка был Морис Шлик входили в него Отто Нейрат Курт Гёдель Карл Гемпель Филипп Франк Альфред Айер Рудоль
10135. Русская философия о науке 43.5 KB
  Русская философия о науке. Особенность российского науковедения образуют три возобновляющиеся идеи. 1 Наука в России воспринималась как извне пришедшее в культуру иностранное нововведение. Она была завезена в Россию Петром 1. Сомнение в органичности науки в росси...
10136. Сущность и соотношение интернализма и экстернализма как теоретических моделей развития науки 36 KB
  Сущность и соотношение интернализма и экстернализма как теоретических моделей развития науки ЭКСТЕРНАЛИЗМ его сторонники считают что основными факторами определяющими рост знания являются социальные экономические технические и культурные причины и пот
10137. Направления и уровни экстерналистского анализа науки 29.5 KB
  Направления и уровни экстерналистского анализа науки. Экстернализм рассматривает науку как часть культуры своего времени и признает что на ее содержание существенно влияют негносеологические факторы: экономика политика религия мораль искусство психология ли
10138. Сущность и соотношение кумулятивизма и антикумулятивизма как теоретически моделей развития науки 38 KB
  Сущность и соотношение кумулятивизма и антикумулятивизма как теоретически моделей развития науки. Проще всего представить развитие науки как рост знаний: наука на каждом историческом этапе приобретает некоторое количество сведений откладывает их в свою копилку на...
10139. Формирование некумулятивной теоретической модели развития науки: К.Поппер, Т.Кун, И.Лакатос 42.5 KB
  Формирование некумулятивной теоретической модели развития науки: К.Поппер Т.Кун И.Лакатос. Некумулятивная модель развития науки сформировалась в середине ХХ в. Койре один из авторов стоящих у ее истоков, другие Г.Башляр К. Поппер Т. Кун И. Лакатос Дж. Холтон.
10140. Наука как вид познания. Понятия вненаучного знания 38 KB
  Наука как вид познания. Понятия вненаучного знания. Наука как познавательная деятельность. Как и другие способы познания наука возникает из практической деятельности людей. Она является непосредственным продолжением обыденного стихийно-эмпирического познания в х...
10141. Особенности научного знания. Основные подходы к проблеме критериев научности в современной философии наук 36.5 KB
  Особенности научного знания. Основные подходы к проблеме критериев научности в современной философии наук Проблема отличия науки от других форм познавательной деятельности – это проблема демаркации т.е. поиск критериев разграничения научного и ненаучного знаний....