Политех в Сети

Сайт для Учебы

8.3. ШУМОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

Рейтинг пользователей: / 2
ХудшийЛучший 

Любой реальный физический сигнал всегда представляет собой смесь полезного сигнала, несущего информацию, с шумом. Электрические сигналы, действующие в радиоэлектронных цепях, также содержат шумы различного происхождения. Анализ смеси сигнала с шумом и ее воздействия на электрические цепи упрощается, если шум аддитивный, т. е. представляет собой сумму полезного сигнала и шума. Во многих случаях такое предположение справедливо. Наличие шума затрудняет извлечение информации, ограничивает точность полученных результатов, а иногда делает получение результатов невозможным. Для описания вклада шума в полезный сигнал, оценки возможности получения результатов с нужной точностью, сравнения различных устройств используются различные шумовые характеристики как смеси сигналов и шума, так и шумовых свойств радиоэлектронной аппаратуры.

При описании шумов и шумовых характеристик радиоэлектронной аппаратуры пользуются средними значениями напряжений и токов и связанными с ними параметрами. Основными из них являются среднее арифметическое , среднее значение квадрата = и средний квадрат отклонения случайной величины от ее среднего значения, или дисперсия .

Одной из самых распространенных характеристик смеси сигнала с шумом является отношение сигнал/шум , которое определяется как отношение среднего значения измеряемой (наблюдаемой) величины к корню квадратному из дисперсии:

. (8.7)

Отношение сигнал/шум определяет предельную чувствительность измерительных приборов. В некоторых случаях возможно повышение отношения сигнал/шум. Методы такой обработки будут рассмотрены в дальнейшем.

Усилители сигналов также являются источниками шума, который добавляется к усиливаемому сигналу. На вход усилителя поступает смесь сигнала и шума. Усилитель усиливает сигнал, во столько же раз усиливает шум и добавляет собственный шум. Таким образом, отношение сигнал/шум на выходе реального усилителя меньше, чем на входе. Собственные шумы усилителей, радиоприемников, других радиоэлектронных устройств оценивают коэффициентом шума . По определению коэффициент шума равен

. (8.8)

Идеальный нешумящий усилитель имеет коэффициент шума Кш =1. Измеренный в децибелах, коэффициент шума называется шум-фактором. Шум-фактор идеального усилителя равен нулю. Коэффициент шума показывает, во сколько раз шумы на выходе усилителя увеличиваются за счет шумов, возникающих в самом усилителе. Деля числитель и знаменатель в формуле на мощность сигнала на входе, получаем

, (8.9)

Где: . и – мощности шумов на входе и выходе усилителя соответственно; KМ - коэффициент усиления по мощности.

Шум на выходе многокаскадного усилителя представляется как сумма усиленного входного шума и шумов, добавляемых последующими каскадами. Шум, поступающий на вход усилителя вместе с сигналом, усиливается всеми каскадами. Шум, создаваемый первым каскадом, усиливается всеми последующими каскадами и так далее. Наибольший вклад в коэффициент шума усилителя вносят первый и второй каскады усиления, поэтому в них целесообразно применять малошумящие транзисторы и принимать меры к уменьшению вносимых шумов.

8.3.1.Шумы активных элементов

Помимо уже рассмотренных источников шума, активные элементы радиоэлектронной аппаратуры являются источниками дополнительных шумов. Главным источником шума в биполярном транзисторе являются процессы генерации и рекомбинации электронов и дырок в базе. Этот вид шума называется генерационно–рекомбинационным. Он сопровождается изменением плотности свободных носителей и флуктуациями тока через p-n переходы транзистора. По своей природе такой шум близок к дробовому шуму. Также в биполярных транзисторах присутствует диффузионный шум, который является по своей природе тепловым. Кроме того, тепловой шум приводит к возникновению шумового напряжения в распределенном сопротивлении базы. В транзисторах имеют место шумы, связанные с фликкер-эффектом. Основной же составляющей шума в транзисторах является дробовой шум в p-n переходах, связанный с флуктуациями потока носителей, преодолевающих потенциальный барьер.

В униполярных транзисторах ток создается носителями одного типа, концентрация которых слабо зависит от температуры и генерационно – рекомбинационные процессы не играют заметной роли. Основными составляющими шумов полевого транзистора являются тепловые шумы в проводящем канале и дробовой шум тока затвора.

Примерный вид зависимости коэффициента шума от частоты для биполярного и униполярного транзисторов показан на рис. 8.4.

описание: пр43

Рис.8.4. Зависимость коэффициента шума от частоты для биполярного

И полевого транзисторов

На низких частотах возрастание коэффициента шума связано с фликкер – эффектом. При увеличении частоты коэффициент шума снижается, а затем снова начинает расти из-за уменьшения коэффициента усиления сигнала.

Величина коэффициента шума зависит от ряда факторов. Так, минимальный коэффициент шума усилителя на биполярном транзисторе достигается при сопротивлении источника входного сигнала КОм. Также шумы транзистора сильно зависят от режима его работы. Для маломощного биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, минимальный коэффициент шума наблюдается при токе коллектора 0,2 – 0,3 мА. Считается, что коэффициент шума пропорционален квадратному корню напряжения коллектор-эмиттер.

Для сравнения шумовых свойств транзисторов коэффициент шума измеряют в одинаковых условиях на некоторой оговоренной частоте, для низкочастотных транзисторов на частоте 1 кГц. На этой частоте лучшие биполярные транзисторы имеют коэффициент шума 1 – 2 дБ, а полевые – 0,3 – 0,5 дБ.