Шумы РПрУ

Внутренние и внешние.

Рассмотрим внутренние шумы. Они имеют несколько причин их появления:

1. Наличие в схемах различных сопротивлений и проводников ( тепловой шум);

,Þ в этом материале происходит хаотическое движение элементарных заряженных частиц.

, где Т - интервал времени

Для количественной оценки этого случайного процесса можно использовать его дисперсию: - определяет мощность тепловых шумов.

- энергетический спектр шумов.

Спектральную плотность тепловых шумов можно записать с помощью формулы Найквиста:

,

где: k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура проводника по Кельвину, R - сопротивление.

Эта формула справедлива для всего диапазона частот: ( 0-10¹²) Гц.

- где Df - полоса частот в пределах которой оценивается мощность теплового шума.

Построим эквивалентную шумовую схему омического сопротивления.

,Þ т.к. спектр на входе равномерен.

Dw_ш – шумовая полоса.

Кроме тепловых в любом РПрУ существуют шумы активных приборов.

В полупроводниковом диоде есть три шумовые составляющие:

1) Тепловой шум омического сопротивления открытого р-n - перехода. Его мощность определяется выражением:

2) дробовый шум; его причина - это дискретный характер тока в единицу времени. Его мощность определяется формулой Шоттки:

,

где е - заряд электрона, I₀- средний ток через p-n - переход;

3) избыточный шум (фликер-шум); этот шум в области низких частот и мощность его обратно пропорциональна частоте

В результате эквивалентная шумовая схема полупроводникового диода:

3.1. Шумы биполярных и полевых транзисторов

Биполярные транзисторы:

1) тепловой шум объемного сопротивления базы: ;

2) дробовой шум эмитерного перехода: ;

3) дробовой шум коллекторного перехода: ,

где I_ко - обратный ток на коллекторе;

4) шум рекомбинации или токораспределения; его причина - случайный характер рекомбинации электронов и дырок в базе транзистора.

, где a - коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общей базой;

5) фликер-шум, или избыточный шум: i²_{ш.фл.ср.}.

В результате можно построить эквивалентную шумовую схему биполярного транзистора:

Основные источники шумов в полевом транзисторе:

1) тепловой шум токопроводящего канала;

2) дробовой шум тока утечки затвора;

3) тепловой шум объемного сопротивления стока и истока транзистора.

Шумовые параметры полевых транзисторов гораздо лучше, чем у биполярных.

3.2. Коэффициент шума четырехполюсника (ЧП)

; ; .

-коэффициент шума ЧП. Þ , .

F=(P_c.вых/P_ш.вых.)/(P_c.вх./P_{ш. вх.}).

3.3. Шумовая температура

Стандартный коэффициент шума ЧП – (F₀) - это величина коэффициента шума, при условии что ЧП находится при температуре окружающей среды.

При этом источник шума также имеет температуру: T = 300^оК.

Тогда связь стандартного и реального коэффициента шума определяется:

,

где t_и = Т_и / T₀ - относительная шумовая температура источника,

Т₀@ 300^о К, F₀ - стандартный коэффициент шума ЧП.

Примером пассивных ЧП являются входные цепи (разрядник защиты приемника, режекторные фильтры, вентили, циркуляторы, сам фильтр).

Для пассивного ЧП: Þ коэффициент шума этого ЧП: F_п = 1/K_p, где K_p < 1.

Коэффициент потерь ЧП: L_п @ 1/K_p Þ F_п = L_п.

3.4. Коэффициент шума каскадно включенных ЧП

Þ

, Þ Из этого выражения следует, что основной вклад в величину коэффициента шума вносят первые каскады.

Шумовая температура n- каскадного ЧП:

.

3.5. Внешние шумы и помехи

Они могут иметь естественную природу, либо это специально организованные помехи. Допустим, что антенна находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой (T_А = T₀). Тогда мощность шумов определяется:

,

где: R_А - шумовое сопротивление антенны: , где R_S - сопротивление излучения антенны, вызвано всем внешним излучением, его величина зависит от направленных свойств антенны; R_П - сопротивление потерь антенны, определяется технологией изготовления антенны.

Если антенна не находится в состоянии термодинамического равновесия (в общем случае), то: ,

где: - относительная шумовая температура антенны:

.

При этом величина t_A - может быть как >1, так и <1.