Электроника - практический курс - Джонс М.Х.
ISBN 5-901095-01-4
Скачать (прямая ссылка):
транзисторах на частотах ниже 1 кГц этот вид шума является преобладающим.
5.9.4 Коэффициент шума
Наличие теплового шума означает, что невозможно в принципе иметь
абсолютно "чистый" сигнал с бесконечным отношением сигнал/шум.
Самый нижний уровень шума, на который можно надеяться, определяется
теоретическим значением напряжения теплового шума сопротивления источника
сигнала. На практике наблюдаемый входной шум неизбежно больше, чем шум
источника, из-за шума, вносимого усилителем. Это ухудшение отношения
сигнал/шум называется коэффициентом шума (Noise Figure) или шум-фак-тором
(Noise Factor, NF) усилителя и определяется как частное от деления
отношения сигнал/шум по мощности во входном сигнале (Ps./PJ на отношение
сигнал/шум по мощности на выходе усилителя (Рт /Рп), то есть
Р /Р NF = 1
Р IP
1 so / по
Удобнее выразить коэффициент шума через эффективные значения сигнала и
шума К и К соответственно:
V У so/Упо J
Как и выше, индексы / и о указывают на вход и на выход. Но Ую / К - это
коэффициент усиления напряжения Av усилителя, поэтому
NF =
\ 2
NF =
V,,,
AV,,,
(5.10)
Величина Vm /Ау представляет собой эффективное шумовое напряжение,
которое следовало бы приложить ко входу нешумящего усилителя с
коэффициентом усиления напряжения Ау , чтобы получить шумовое напряжение
на выходе Vno . Эта величина Vno /Av называется полным шумом, отнесенным
ко входу, и обозначается И а Введенное только что понятие является
ценным, так как оно исключает из нашего определения коэффициента шума
коэффициент усиления усилителя:
NF =
где К. - эффективное напряжение шума, присутствующего в источнике
входного сигнала. Обычно коэффициент шума выражают в децибелах:
NF = 201og 10 Kn/(total) дБ. (5.11)
Уш
Нешумящий усилитель имел бы коэффициент шума, равный 0 дБ. В хороших
малошумящих усилителях обычно достигаются значения коэффициента шума,
меньшие 3 дБ.
92 Согласование сопротивлений
Если рассматривать усилитель в отдельности, то эффективное напряжение
шума Vn. , фактически поступающее на его вход, является результатом
исключительно теплового шума внутреннего (выходного) сопротивления
источника сигнала. Полный шум, отнесенный ко входу, Vnj (total) состоит
из вкладов теплового шума К. и шума, порождаемого транзисторами
усилителя.
Но транзистор дает не только напряжение шума на входе, он порождает также
входной шумовой ток. На рис. 5.8(a) показана эквивалентная схема входной
цепи усилителя с источниками шума. Пусть еп - мгновенное значение
_щумового напряжения, in - мгновенное значение шумового тока, а е\ , и
Vt~ - средние квадраты мгновенных значений шумовых сигналов [ранее
величина F. уже была определена как эффективное (среднеквадратическое)
значение].
Внутреннее сопротивление источника сигнала
внутренним сопротивлением источника сигнала
(Ь)
Рис. 5.8. Эквивалентная схема усилителя с эквивалентными источниками шума
на входе: (а) схема с двумя источниками напряжения и источником тока, (b)
источник тока преобразован в эквивалентный ему источник напряжения.
Согласование сопротивлений для минимизации шума усилителя 93
Необходимо добавить, что все эти величины еп , /" и V2 пропорциональны
ширине полосы усилителя. (Как говорится в таких случаях: чем шире
распахиваешь окно, тем больше летит грязи.) Мы поступим в соответствии с
общепринятой практикой и будем использовать единичную ширину полосы (д/ =
1 Гц) в определенной точке частотного диапазона, скажем, на частоте 1
кГц. При фиксированной ширине полосы величина теплового шума VJ постоянна
во всех частях спектра, но значения е2 , и i2 меняются из-за 1 //-шума.
Коэффициент шума, измеряемый в полосе 1 Гц, называют дифференциальным
коэффициентом шума-, говоря о нем, следует указывать также частоту, на
которой он измерен.
Чтобы вычислить коэффициент шума, необходимо значение полного шумового
напряжения на входе. При известном сопротивлении источника сигнала Rs
можно заменить источник шумового тока на эквивалентный источник
напряжения i2R2 (рис. 5.8 (Ъ)) и осуществить сложение шумовых напряжений.
Объединяя вместе различные шумовые компоненты при определении K.(total),
мы должны помнить, что все три источника независимы и фазовые соотношения
между ними случайны. Другими словами, их сигналы некорре-лированы.
Единственный способ найти сумму таких сигналов заключается в том, чтобы
сложить их средние квадраты
у/2 т/2 . 2 -2 г>2
(total) " ni "** hi *
т/2
_ "/(total)
Поэтому
V2
el+ilR2
NF = 1 + -- NT - 1 + ... . (5.12)
V2
r in
Как и следовало ожидать, величина NF всегда больше единицы.
Далее: мы знаем, что величина V2 целиком определяется тепловым шумом
сопротивления Rs и, следовательно, равна 4/с77?. (в полосе д/= 1 Гц);
поэтому
NF = 1 + g" + '"Rs (5.13)
AkTRs
Теперь, дифференцируя (5.13), можно найти значение Rs , при котором
коэффициент шума будет минимален:
d(NF) 1 е\ . ..г
Л
dЛ, Акт
Величина NF минимальна, когда
(5.14)
у
94 Согласование сопротивлений
то есть при
