Шум тока и напряжения транзисторных усилителей

Помехи

Дробовой шум

Шумы тока и напрядения

1) Тепловой шум (Джонсона)

Любой резистор генерирует на своих концах шум напряжений. У него горизонтальный частотный спектр (одинаковая мощность шума на всех частотах). Шум с горизонтальным спектром называется «белым шумом», т.е. энергетическая плотность мощности шума не зависит от чатоты.

 

k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура, К; R – сопротивление; - полоса частот, Гц.

Например, резистор с R=10 кОм, при комнатной температуре T=293° К в полосе пропускания =10 кГц имеет среднеквадратичное напряжение шума в разомкнутой цепи порядка U_ш = 1,3 мкВ.

 

 

При малых сопротивлениях играет роль (шум напряжения), а при больших сопротивлениях играет роль токовый шум

Для уменьшения теплового шума можно уменьшить температуру резистора, уменьшить сопротивление, уменьшить полосу частот.

Значение шума Джонсона состоит в том, что он устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого детектора, источника сигналов или усилителя, имеющего ненулевое выходное сопротивление.

 

Электрический ток представляет собой движение дискретных зарядов, а не плавное непрерывное течение. Конечность заряда приводит к статистическим флуктуациям тока, определяемым по формуле:

 

– заряд электрона, ; - постоянный ток, проходящий через резистор; - полоса частот, Гц.

Уменьшать дробовой шум можно уменьшением полосы частот .

При больших токах шумовая составляющая очень мала. Пример:

 

 

 

 

3) Шум 1/f (фликкер - шум)

Дробовой и тепловой шумы – это неуменьшаемые в данных условиях виды шума, происходящие вследствие действия физических законов. Самый дорогой резистор имеет тот же тепловой шум, что и дешевый углеродный резистор с таким же сопротивлением. Избыточные виды шума зависят от конструкции и материала резистора. Пример:

0,1-3 мкВ – для углеродно-композитных резисторов;

0,05-0,3 мкВ – для углеродно-пленочных;

0,02-0,2 мкВ – для металлопленочных;

0,01-0,2 мкВ – для проволочных.

Uш

f

1/f

Реальные источники имеют различные источники шумов: флуктуации сопротивления, порождающие дополнительные напряжения шума, пропорциональные протекающему току. Этот шум зависит от конструкции резистора, резистивного материала и, в особенности, от концевых соединений. Шум имеет спектр 1/f (постоянная мощность на декаду частоты), его амплитуда экспоненциально уменьшается с уменьшением частоты, иногда его называют «розовый шум».

 

Помехи наводятся техногенными факторами.

 

Коэффициент шума:

 

 

 

При низком сопротивлении источника сигналов (200 Ом-1 Мом) главную роль играет шум напряжения, т.к. шум тока вызывает дополнительное напряжение, равное:

 

В этом случае целесообразнее использовать малошумящие биполярные транзисторы.

При больших сопротивлениях источника >100 кОм преобладает шум тока транзистора, поэтому лучшим устройством для усиления сигнала с шумом будет ПТ, хотя у него шум напряжения больше чем у БПТ, но ток затвора и его шум исчезающе малы.

При очень малых сопротивлениях < 50 Ом всегда будет преобладать шум напряжения транзистора и коэффициент шума будет неудовлетворительным. Лучше использовать трансформатор для увеличения уровня и сопротивления источника сигнала.

Для БПТ основное значение имеет шум тока входного, для ПТ – шум напряжения (у них нет входного тока), т.е. при предпочтительно использовать БПТ, при -ПТ, в диапазоне транзистор выбирается по дополнительным характеристикам, при с целью минимизации шумов желательно использовать сигнальные трансформаторы.

С целью уменьшения шумов используется параллельное соединение БПТ. Шумы при этом уменьшаются в раз, где количество параллельно соединенных БПТ.

 

Помехи проникают на вход усилителя через емкостную связь. При этом чем выше входное сопротивление усилителя, тем более восприимчив он к таким помехам. Статистическую помеху можно практически полностью устранить экранировкой входа усилителя высокопроводящим материалом (алюминий, медь, серебро). При этом создается эквипотенциальная поверхность.