А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств

Эквивалентные Y-параметры усилителя определяются, согласно методике подраздела 2.3, в заданных точках диапазона рабочих частот. Использование инвариантного коэффициента устойчивости особенно удобно при машинном анализе УУ. Другие методы оценки устойчивости описаны в [6].

Шумы в УУ в основном определяются шумами активных сопротивлений и усилительных элементов, расположенных во входных каскадах. Наибольший вклад в мощность шума, создаваемого усилительным каскадом, вносит усилительный элемент. Наличие собственных источников шумов ограничивает возможность усиления слабых сигналов.

В зависимости от природы возникновения, собственные шумы транзистора подразделяются на тепловые, дробовые, шумы токораспределения, избыточные и т.д.

Тепловые шумы обусловлены беспорядочными перемещениями свободных носителей заряда в проводниках и полупроводниках, дробовые — дискретностью заряда носителей (электронов и "дырок") и случайным характером инжекции и экстракции их через p-n-переходы. Шум токораспределения вызывается флуктуациями распределения тока эмиттера на токи коллектора и базы. Все вышеперечисленные виды шумов имеют равномерный спектр.

Природа избыточных шумов до конца еще не выяснена. Обычно их связывают с флуктуациями состояния поверхности полупроводников. Спектральная плотность этих шумов обратно пропорциональна частоте, что послужило поводом для названия их шумами типа 1/f. Еще их называют фликкер-шумами, шумами мерцания и контактными шумами. Шумы типа 1/f сильно возрастают при дефектах в кристаллической решетке полупроводника.

Наиболее весомый вклад в мощность шумов усилительных элементов вносят тепловые шумы.

Шумы активных элементов можно представить в виде источника напряжения (рисунок 8.1а) или источника тока (рисунок 8.1б).

Рисунок 8.1. Эквивалентные схемы активного шумового сопротивления

Соответствующие значения ЭДС и тока этих источников следующие (см. подраздел 2.2):

где Δ f — полоса рабочих частот; k =1,38·10 -23 — постоянная Больцмана; T — температура в градусах Кельвина; R ш — шумовое сопротивление, G ш — шумовая проводимость, G ш = R ш -1.

Для стандартной температуры Т=290°K эти формулы можно упростить:

Спектральные плотности шумов по напряжению и току составляют [17]:

где , — дифференциалы от среднеквадратичных напряжений и токов шумов как случайных функций времени t, действующих в полосе пропускания df.

Любой активный элемент можно представить шумящим четырехполюсником (рисунок 8.2) и по данным формулам рассчитать его шумовые характеристики.

Рисунок 8.2. Шумящий четырехполюсник

В [16] приведены выражения для шумовых параметров БТ и ПТ нормированных спектральных плотностей шумов по напряжению R ш = F RU /4 kT , по току G ш = F RI /4 kT и взаимной спектральной плотности F ш , представляющих собой соответственно шумовое сопротивление, шумовую проводимость и взаимную спектральную плотность шумов.

Для БТ, включенного по схеме с ОЭ:

R ш = r б + 0,2 I бr б 2+ 0,02 I кS 0 -2,

G ш = 0,2 I б + 0,02 I кg 2S 0 -2,

F ш = 1 + 0,02 I бr б + 0,02 I кgS 0 -2,

где I б и I к в миллиамперах, g и S 0 в миллисименсах. При учете фликкер-шумов для частот f≥10Гц в данных выражениях следует принять:

I' б = (1 + 500/ f ) I б ,

I' к = (1 + 500/ f ) I к .

Для ПТ, включенного с ОИ:

R ш = 0,75/ S 0,

G ш = R шω ² C² зи = 40 R шf ² C ² зи,

F ш = 1 + ωC зиR ш = 1 + 6,28· C зиR ш .

Данные формулы применимы и для других схем включения транзисторов.

Полагая равномерным спектральные плотности шумов, согласно [16] можно получить выражение для коэффициента шума каскада:

F = ( R г + R ш + G шR г + 2 F шR г )/ R г .

Исследуя это выражение на экстремум, определяем оптимальное сопротивление источника сигнала R г opt , при котором коэффициент шума каскада F минимален:

При этом в большинстве случаев оказывается, что R г opt не совпадает с R г , оптимальным с точки зрения получения необходимой f в каскада ( R г opt > R г ). Выходом из данной ситуации является включение между первым и вторым каскадами цепи противошумовой коррекции (рисунок 8.3).

Рисунок 8.3. Простая противошумовая коррекция

Введением противошумовой коррекции добиваются повышения коэффициента передачи каскадов в области ВЧ (путем внесения корректирующей цепью затухания на НЧ и СЧ), компенсируя тем самым спад усиления на ВЧ за счет высокоомного R г opt .

Приближенно параметры противошумовой коррекции можно определить из равенства ее постоянной времени RC постоянной времени τ в некорректированного каскада.

Расчет шумов каскадно соединенных четырехполюсников (многокаскадного усилителя) обычно сводится к расчету коэффициента шума входной цепи и входного каскада. Первый каскад в таком усилителе работает в малошумящем режиме, а второй и другие каскады в обычном режиме.

Расчет шумов в общем случае представляет собой сложную задачу, решаемую с помощью ЭВМ. Для ряда частных случаев шумовые параметры могут бить рассчитаны по соотношениям, приведенным в [16].

Чувствительностью называется реакция различных устройств на изменение параметров ее компонент.

Коэффициент чувствительности ( функция чувствительности или просто чувствительность ) представляет собой количественную оценку изменения параметров устройства (в т.ч. и АЭУ) при заданном изменении параметров его компонент.