Коефіцієнт шуму підсилювача та методи його вимірювання
Коефіцієнт шуму підсилювача та методи його вимірювання - розділ Електротехніка, Флуктуаційні шуми Коефіцієнт Шуму (Кш) Характеризує Шумові Властивості Реального Підсилювача (Прі.
Коефіцієнт шуму (КШ) характеризує шумові властивості реального підсилювача (приймача). При проходженні сигналу через лінійний підсилювач (приймач) співвідношення між сигналом та шумом на вході та виході буде різним. Вважають, що ідеальний підсилювач тільки посилює сигнал і шуми, що надходять на його вхід, не додаючи власних шумів. У цьому випадку співвідношення між сигналом та шумом на виході та вході підсилювача буде однаково. Так як будь-який реальний підсилювач містить елементи, що є джерелами шумів, відносний внесок шумів на виході підсилювача завжди виявляється більше, ніж на вході.
Кількісною характеристикою, що показує скільки разів зменшується відношення сигналу до шуму після проходження сигналу через підсилювач, є коефіцієнт шуму (шум-фактор). За умови, що вхід та вихід підсилювального пристрою узгоджені з відповідними вхідними та вихідними трактами, а смуга пропускання частот системи незмінна, коефіцієнт шумуFш визначається наступним співвідношенням:
, (6.3)
Fш = (6.3)
де - відношення сигналу до шуму за потужністю на вході приймача (без урахування власних шумів підсилювальної системи), а - відношення сигналу до шуму за потужністю на виході підсилювача (приймача) з урахуванням власних шумів підсилювача.
Для ідеального підсилювача шум-факторFш = 1. У реальних підсилювачах коефіцієнт шумуFш може істотно збільшуватися в порівнянні з ідеальним (не шумить) підсилювачем через власні шуми підсилювача, і томуFш Таким чином, коефіцієнт шумуFш завжди більше одиниці і показує, щоскільки разів зменшується відношення потужності сигналу до потужності шумів після їх проходження через цей підсилювач. Коефіцієнт шуму визначає одне з найважливіших властивостей будь-якої приймально-підсилювальної системи - її чутливість, тобто здатність виявляти сигнали мінімально можливої величини.
Коефіцієнт шуму (6.3) іноді зручно виражати в логарифмічній формі, децибелах:
В ідеальних пристроях шуми на виході визначаються лише опором джерела сигналу. Наприклад, якщо сигнал надходить від генератора сигналів або приймальної антени, шуми визначаються внутрішнім опором генератора або опором випромінювання антени відповідно. Саме приймальний пристрій лише посилює вхідні шуми у тому ж відношенні, в якому збільшується корисний сигнал, тому ставлення на виході залишається таким самим, як на вході.
У реальних приймачах відношення на виході змінюється порівняно із входом за рахунок наявності внутрішніх джерел шумів у приймальному пристрої. Такими джерелами шумів є: теплові шуми резисторів, дробові та надлишкові шуми п/п приладів. Крім того, величина на виході реальної системи змінюється через наявність нелінійних елементів у приймальному пристрої, а також зміни смуги пропускання окремих каскадів системи.
У виразі (6.3) потужності сигналу та шуму розглядаються в деякій еквівалентній смузі пропускання досліджуваного підсилювача (приймача).
При вимірюваннях коефіцієнта шуму підсилювача джерелом вхідного сигналуРвх зазвичай калібрований генератор, вихідна потужність якого регулюється за допомогою атенюатора вхідного сигналу. При цьому під величиноюРвх розуміється вихідна потужність генератора.
Вираз (3.11) та відповідне йому визначення громіздки танезручні для практичних розрахунків.
Як генератор каліброваного сигналу можна використовувати активний опір (рис. 6.7). На вихідних клемах такого двополюсника існує напруга теплових шумів, середній квадрат якого визначається виразом (3.11) і дорівнює
=4kTRгf.(6.5)
де R г - опору джерела сигналу.
В цьому випадку потужність, що виділяється в узгодженому навантаженні на вході підсилювача, що має вхідний опірRвх, тобто. за умовиRг =Rвх, відповідно до виразу (3.22) дорівнює.Тоді співвідношення для коефіцієнта шуму (6.3) зводиться до наступного простішого:
Rг
Мал. 6.7. Подання генератора сигналу у вигляді пасивного двополюсника з активним опором:Rг - активний опір джерела теплових шумів,R1 - вхідний опір підсилювача.
Fш = , (6.6)
де - повна потужність шуму, що виділяється у вихідному навантаженні; – номінальний коефіцієнт посилення підсилювача за потужністю; - Ефективна смуга пропускання підсилювача.
Як видно з наведених вище виразів, коефіцієнт шуму залежить відефективної смуги пропускання частот пристрою, що розглядається. Математичний вираз для ефективної смуги пропускання підсилювача:
(6.7)
де - Коефіцієнт передачі по потужності при узгодженому навантаженні на даній частотіf, а - максимальний коефіцієнт посилення при узгодженому навантаженні (на середній частоті смуги пропускання).
Ефективна смуга пропускання є найважливішою характеристикою взагалі будь-якого частотно-виборчого чотириполюсника і має використовуватися при шумових розрахунках. Вираз (6.6) показує, що під ефективнимсмугою пропускання розуміється деяка еквівалентна смуга пропускання з однаковим коефіцієнтом посилення шумів у її межах, причому це посилення приймається рівним максимальному (на резонансній частоті пропускання підсилювача). При цьому площі, обмежені реальною та еквівалентною смугою пропускання є однаковими. У цьому сенсі реальна та ефективна прямокутна смуги пропускання еквівалентні.
Тобто. відповідно (6.5) коефіцієнт шуму підсилювача визначається як відношення повної потужності шумів на виході підсилювача до тієї її частини, яка обумовлена тепловим шумом каліброваного генератора на вході.
Якщо врахувати, що
= + (Pшум)ус, (6.8)
де останній член є потужністю шумів у навантаженні за рахунок власних шумів підсилювача, то вираз (6.5) можна представити у вигляді:
Fш = 1 + , (6.9)
Згідно (6.9) коефіцієнт шуму – число, що показує, у скільки разів потужність шумів усієї системи (включаючи і потужність теплових шумів опору джерела сигналуRr) більша за потужність шумів, створюваних тільки опоромRr. При цьому порівнювані потужності шумів повинні бути віднесені до вхідних клем підсилювача.
Розглянемо тепер еквівалентну схему підсилювача з шумовим генераторам струму iш і напруги еш на вході з підключеним до входу каліброваним генератором теплового шуму ешг, створюваного опоромRг (рис. 6.11).
Мал. 6.11. Еквівалентна схема підсилювача з шумовим генераторам струму iш та напруги еш на вході з підключеним до входу каліброваним генератором теплового шуму ешг, створюваного опором Rг.
Якщо вхідні шуми лише теплові шуми опоруRг, тоді коефіцієнт шуму підсилювача визначаться: