Электроника - практический курс - Джонс М.Х.
ISBN 5-901095-01-4
Скачать (прямая ссылка):
одинаковая мощность будет рассеиваться в источнике и в нагрузке. Это
неэффективно и может быть одним из факторов, приводящих к перегрузке
используемых компонентов. Если входной сигнал поступает по линии
передачи, такой как длинный телефонный кабель, то сопротивление нагрузки
выбирается, как правило, равным волновому сопротивлению кабеля, но это
совершенно особый случай передачи мощности, когда речь идет, главным
образом, об исключении отражений сигнала, а не о передаче сигнала
усилителю.
Электрические схемы часто используются для моделирования механических и
акустических систем при анализе последних. Применительно к таким системам
теорема о максимальной мощности оказывается ценным подспорьем в решении
задач об оптимальной передаче энергии.
Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока 89
5.8 Согласование сопротивлений для оптимальной передачи тока
Иногда требуется согласование сопротивлений, обеспечивающее максимальный
ток во входной цепи. Обращаясь снова к рис. 5.7, видим, что максимум
входного тока I. достигается в том случае, когда полное сопротивление в
цепи делается возможно меньшим. Поэтому, при фиксированном Zom, следует
стремиться к возможно меньшему значению Zn. Эта довольно нестандартная
ситуация прямо противоположна обычному случаю, когда требуется передавать
напряжение.
5.9 Согласование сопротивлений для минимизации шума усилителя
5.9.1 Отношение сигнал/шум
Шум всегда присутствует в электронных схемах. Его слышно в радиоприемнике
между станциями и при приеме слабого сигнала. Физически шум представляет
собой случайные флуктуации напряжения, которые можно слышать как шипение
в громкоговорителе.
Именно по электрическому шуму устанавливается самый нижний диапазон
измерений в электронных приборах; шум ограничивает реальную
чувствительность радиоприемника и может возникать во время тихих
музыкальных пассажей при воспроизведении звука с аналоговой кассеты.
Будучи явлением случайным, шум не сосредоточен на одной частоте, но
существует во всех частях спектра. И в самом деле: мощность шума,
порождаемого схемой, обычно пропорциональна ее ширине полосы.
Часто мерой "различимости" полезного сигнала на фоне шума в той или иной
системе служит отношение сигнал/шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR). Его
находят как отношение мощности сигнала Р к мощности шума Рп:
Шум и сигнал появляются на выходе вместе, и оба "действуют" на одном и
том же сопротивлении; поэтому отношение мощностей можно выразить через
более удобное отношение эффективных (среднеквадратических) значений
сигнала и шума К и К соответственно:
Р
SNR = -. Рп
Обычно его выражают в децибелах:
SNR = lOlog ДБ. Р"
П
(5.6)
(5.7)
90 Согласование сопротивлений
Когда речь идет о характеристиках оборудования, нам часто бывает
необходимо значение максимального отношения сигнал/шум. Оно получается
путем измерения максимального эффективного напряжения сигнала на выходе
^,Чпих) и сравнения его с эффективным напряжением имеющегося на выходе
шума Vm :
max SNR = 201og дБ. (5.8)
УцО
Как мы увидим, для получения разумного значения отношения сигнал/ шум
обычно необходимо знать выходное сопротивление источника сигнала.
5.9.2 Тепловой шум
В любом отрезке проводника имеется определенный электрический шум из-за
тепловых колебаний атомов. Он известен как тепловой шум или шум Джонсона.
Основываясь на постулатах термодинамики, Найквист показал, что
эффективная шумовая э.д.с. К на резисторе R равна
V" = JtkTRAf, <5-9)
где к - постоянная Больцмана (к = 1,380 х Ю 23 Дж ¦ К1), Т - температура
резистора в кельвинах (= 273 + °С), д/ - полоса пропускания
измерительного устройства (Гц), R - сопротивление резистора (Ом).
Подставляя в качестве типичных значений ширину всего диапазона звуковых
частот ("20000 Гц) и комнатную температуру ("300 К), получим эфф. шумовая
э.д.с. К= 1,8 х ю~sx-Jr вольт.
Если, например, R = 10 кОм, то -Jr = 100 (Ом)1/2 и
V = 1,8 х 1СИх Ю2В= 1,8 мкВ.
5.9.3 Шумы в транзисторах
Ток, протекая в транзисторе, производит шум. Существуют три главных
источника шума:
(a) Тепловой шум является результатом конечного сопротивления материала
полупроводника.
(b) Дробовой шум возникает всякий раз, когда носители тока пересекают
барьер на р-п переходе. Каждый носитель вызывает легкий короткий всплеск
тока, когда он проходит сквозь р-п переход; совокупный эффект от многих
носителей дает случайные флуктуации тока. Мощность дробового шума прямо
пропорциональна току; его действие проявляется в наибольшей степени,
когда собственное сопротивление р-п перехода велико, как, например, в
случае перехода коллектор-база, смещенного в обратном направлении.
(c) Фликкер-шум или 1 /f-шум вызван случайными колебаниями процесса
диффузии в транзисторе. Как следует из названия, спектральная плотность
мощности 1//-шума обратно пропорциональна частоте, так что энергия шума
Согласование сопротивлений для минимизации шума усилителя 91
сосредоточена, главным образом, на низких частотах. В биполярных
