Дата последнего обновления файла 24.07.2014

Шумы и помехи

Шумы и помехи одинаково мешают осуществлять прием удаленных сигналов, наслаждаться высококачественной музыкой, просматривать фото и видео. Шумы образуются внутри радиоэлектронного устройства (телевизора, радиоприемника, сотового телефона или фотоаппарата). Помехи отличаются от шумов тем, что поступают в радиоэлектронное устройство извне.


Рисунок 1. Основные цепи, на которые воздействуют помехи

На рисунке 1 показаны основные цепи, на которые воздействуют помехи. Конечно, основным приемником помех является вход усилителя. Именно отсюда осуществляется усиление сигнала. И если помеха наведется на вход усилителя, то она будет усилена, и в дальнейшем ее будет очень сложно отделить от полезного сигнала.

Не менее опасным с точки зрения помех являются цепи питания. При этом помехи могут, как образовываться в самих источниках вторичного питания, так и наводиться на соединительные провода. В этом смысле в качестве приемника помех могут служить цепи общего провода. При протекании по ним токов от различных блоков образуется падение напряжения, которое может воздействовать на высокочувствительные узлы устройства.

Основные источники помех:

  1. Магнитное поле
  2. Электрическое поле
  3. Радиоволны
  4. Совместное падение напряжения на одном проводнике
  5. Микрофонный эффект

Магнитное поле воздействует в основном на индуктивные элементы, такие как катушки индуктивности, дроссели или электродинамические микрофоны. При больших интенсивностях магнитного поля оно будет наводить токи помех и на соединительных проводах, в том числе и на цепях питания транзисторов и микросхем.

Электрическое поле по характеру своего воздействия на элементы радиоэлектронной аппаратуры похоже на магнитное поле, но в отличие от магнитного поля, электрическое наводит напряжение или потенциал помехи.

Радиоволны по своему характеру являются электромагнитным полем, поэтому могут наводить на элементы радиоэлектронной схемы, как токи, так и напряжения. Борьба с данным видом помех наиболее сложна, так как токи высокой частоты могут проникать глубоко в экранирующие материалы.

При протекании тока по омическому или индуктивному сопротивлению на нем возникает падение напряжения. В радиоэлектронных устройствах часто одновременно присутствуют мощные блоки или блоки с повышенным уровнем помех и высокочувствительные блоки. Обычно они питаются от одного и того же источника тока. Однако сопротивление корпусного проводника хоть и мало, все же обладает сопротивлением, на котором возникает падение напряжения.

Так как этот же проводник подключен к блоку с высокой чувствительностью, то помеха может проникнуть на выход этого блока. Это означает, что к конструктивному исполнению цепей питания обычно предъявляются повышенные требования.

Учитывая огромное разнообразие возникновения помех в радиоэлектронном устройстве, существует огромное многообразие методов борьбы с помехами. Это и технические и организационные методы борьбы с помехами. Помехи можно подавлять по месту их возникновения и не допускать их проникновение в электрические цепи радиоэлектронного устройства. Обычно при рассмотрении вопроса борьбы с помехами рассматривают технические методы уменьшения уровня помех на выходе устройства.

Технические методы уменьшения помех:

  1. экранирование
  2. заземление
  3. балансировка
  4. фильтрация
  5. разнесение и ориентация
  6. регулировка величины полного сопротивления схемы
  7. выбор кабеля
  8. подавление (в частотной или временной области)

Шум отличается от помех тем, что возникает внутри радиоэлектронного устройства. В качестве источника шума служат радиоэлементы, из которых оно собрано. Основными источниками шума являются следующие элементы:

  1. Резисторы (тепловой шум)
  2. Транзисторы
  3. Диоды

Шумы усилителя

Шум усилителя определяется в основном шумом транзисторов, которые входят в его состав. Рассмотрим основные составляющие шума транзистора. В качестве примера рассмотрим распределение шума по частоте для полевого транзистора с pn-переходом.

Для того, чтобы можно было сравнивать усилители с разными коэффициентами усиления, шум всегда приводят ко входу схемы. При этом напряжение и ток представляют различными источниками, как это показано на рисунке 2.


Рисунок 2. Эквивалентные источники шума

Характеристики приведенных ко входу источников шумового напряжения en и тока in для транзистора в звуковом диапазоне частот обычно частотно-независимы. Их типовые частотные характеристики приведены на рисунке 3.


Рисунок 3. Кривая шума полевого транзистора с pn-переходом

Входное шумовое напряжение при нулевом сопротивлении источника сигнала и за диапазоном фликкер-шумов 1/f можно определить следующим образом:

      (1),

где k = 1.38×10−23 постоянная Больцмана;
      T — температура в градусах Кельвина;
      Δf — полоса частот в Гц;
       — эквивалентное шумовое сопротивление.

Шумовое напряжение транзистора достаточно точно аппроксимируется формулой теплового шума (шум Джонсона). Оно возникает на омическом сопротивлении канала полевого транзистора. Отклонение от этой зависимости наблюдается на частотах ниже 100 Гц. Это связано с проявлением фликкер-шумов.

Фликкер-шум возникает из-за неоднородности кристаллической решетки полупроводника и поверхностных эффектов. Он проявляется в случайной флуктуации проводимости. В области фликкер-шумов формула определения напряжения шума видоизменяется следующим образом:

      (2),

где n изменяется от 1 до 2 в зависимости от конкретного экземпляра транзистора.

Источник шумового тока генерирует ток in, который можно определить следующим образом:

      (3),

где q = 1.602×10−19 заряд электрона;
      IЗ — ток затвора, измеренный на постоянном токе (А);
      Δf — полоса частот (Гц).

Выражение будет точно описывать шум, если ток затвора транзистора определяется только объемной проводимостью полупроводника. Проводимость может увеличиться из-за загрязнений при подключении кристалла к выводам корпуса.

На высоких частотах, в области дробовых шумов (см. рисунок 3), in приблизительно равен тепловому току шума, генерируемому на резисторе:

      (4),

где RN реальная часть входного импеданса;

Точка перегиба частотной характеристики f2 на рисунке 3 зависит от партии транзисторов и конкретного экземпляра. Она может меняться от 5 кГц до 50 кГц.

Коэффициент шума транзистора

Коэффициент шума F определяет увеличение шума, приведенного к входу транзистора, по сравнению с шумом, генерируемым на внутреннем сопротивлении источника сигнала. Формула для коэффициента шума определяется следующим образом:

      (5),

В данной формуле используется значение мощности шумов, приведенное к входу транзистора. С учетом выражений (1) и (3) выражение определения коэффициента шума транзистора принимает вид:

      (6),

Коэффициент шума показывает, насколько увеличивается шум на выходе транзистора. Его обычно выражают в децибелах при заданном сопротивлении источника сигнала Rг.

      (7)

Если сравнивать параметры полевого и биполярного транзистора в области звуковых частот по коэффициенту шума, то полевой транзистор проиграет из-за влияния сопротивления источника сигнала Rг. Поэтому при определении шумовых характеристик полевого транзистора с p-n переходом лучше пользоваться en и in. Когда наиболее критичным параметром усилителя является его шум, производится выбор значения сопротивления источника сигнала с точки зрения минимизации шума.

У биполярного транзистора значения en и in сильно зависят от тока коллектора. У полевого транзистора зависимость шума от тока стока проявляется незначительно.

Минимальное значение напряжения шумов en полевого транзистора достигается при нулевом значении напряжения затвор-исток, так как при этом напряжении достигается максимальное значение крутизны переходной характеристики транзистора. Данное утверждение будет верно только при условии, что рассеиваемая на транзисторе мощность будет незначительна по сравнению с предельным значением.

На рисунке 4 показана зависимость напряжения шумов en от изменения тока стока транзистора. Обратите внимание на значительную зависимость en от тока коллектора для биполярных транзисторов и небольшое ее изменение для полевых транзисторов.


Рисунок 4. Кривая шумового напряжения полевого транзистора с pn-переходом

Аналогично шумовому напряжению, минимальный шумовой ток полевого транзистора должен достигаться при нулевом значении напряжения затвор-исток. На практике отмечается очень слабая зависимость in от положения рабочей точки полевого транзистора. На рисунке 5 показаны зависимости шумового тока в зависимости от тока стока. На этом же рисунке для сравнения приведены кривые тока in для биполярного транзистора, показывающие резкое изменение этого параметра в зависимости от тока коллектора.


Рисунок 5. Кривая шумового тока полевого транзистора с pn-переходом

При выборе транзистора для первого каскада очень важно определить необходимый коэффициент шума, а он зависит от тока коллектора, сопротивления источника сигнала и конкретного типа транзистора. Зависимость коэффициента шума от сопротивления источника сигнала для биполярного и полевого транзисторов приведена на рисунке 6.


Рисунок 6. Зависимость коэффициента шума от сопротивления источника на частотах 10 Гц и 1 кГц

Как видно из данных графиков в области звуковых частот и небольших значений сопротиления источника сигнала некоторое преимущество имеют биполярные транзисторы, однако при большом сопротивлении источника сигнала неоспоримое преимущество получают полевые транзисторы.

Литература:

  1. AN106 "Low-Noise JFETs — Superior Performance to Bipolars" Siliconix 10.03.97
  2. npn транзистор общего назначения КТ3130
  3. NPN general purpose transistors BC846; BC847; BC848
  4. BFQ67 NPN 8 GHz wideband transistor
  5. ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА http://zpostbox.ru/

Вместе со статьей "Шумы и помехи" читают:

Линейные параметры узлов РЭА
http://digteh.ru/Sxemoteh/LinPar/

Амплитудная характеристика Одним из наиболее важным параметров радиоэлектронного устройства является его амплитудная характеристика.
http://digteh.ru/Sxemoteh/LinPar/AmplHar/

Амплитудно-частотная характеристика
http://digteh.ru/Sxemoteh/LinPar/AmplChHar/

Фазо-частотная характеристика
http://digteh.ru/Sxemoteh/LinPar/AmplChHar/


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2017

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс

Поиск по сайту сервисом ГУГЛ

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100