Шумовые свойства селективных усилителей радиосигналов

Шумовые свойства селективных и апериодических усилителей радиосигналов, особенно усилителей радиочастоты, определяют чувствительность всего радиоприемного устройства. Поэтому при построении радиоприемного устройства необходимо произвести выбор типа усилителя или базового усилительного элемента, выбор типа усилительного прибора, режима его работы и схемы его включения. В диапазоне длинных, средних, коротких длин волн, где шумовые характеристики усилителей не оказывают существенного влияния на чувствительность радиоприемника, чувствительность определяется в основном полосой его пропускания. В диапазоне УКВ и менее длин волн чувствительность определяется шумовыми свойствами входных цепей и входных усилителей.

Выбор усилительного прибора для УРЧ зависит от назначения радиоприемника, условий эксплуатации, диапазона рабочих частот, требований к чувствительности, малосигнальной избирательности, надежности и долговечности работы, экономичности энергопотребления. Следует также учитывать и предполагаемые источники питания [25].

Выбор биполярных транзисторов. При выборе биполярных транзисторов в качестве усилительного прибора необходимо учитывать их свойства, которые отрицательно влияют на характеристики радиоприемника в целом:

§ большая нелинейность проходной характеристики, ограничивающей возможность обеспечения высокой малосигнальной избирательности;

§ значительная внутренняя обратная связь, снижающая устойчивость работы усилителя;

§ большие значения входной и выходной емкостей, ухудшающие избирательность преселектора, и уменьшение коэффициента перекрытия по частоте для радиоприемников диапазонного типа;

§ сильная зависимость параметров каскада от изменения температуры окружающей среды;

§ большой разброс параметров транзисторов.

Для обеспечения малого коэффициента шума необходимо выбирать транзисторы с граничной частотой, удовлетворяющей условию

, (4.93)

где – максимальная рабочая частота радиоприемного устройства.

Значение эквивалентного сопротивления шума определяется соотношением

, (4.94)

эквивалентная шумовая проводимость

, (4.95)

где – обратный ток коллектор-база;

– статический коэффициент передачи по току в схеме с общей базой;

– модуль крутизны усилителя с общим эмиттером.

Для обеспечения устойчивой работы усилителей транзистор должен иметь высокое значение отношения , которое вычисляется на максимальной частоте рабочего диапазона радиоприемного устройства [25].

Коэффициент шума усилителя практически не зависит от схемы включения транзистора (ОЭ, ОБ). Однако внутренние обратные связи меньше в схеме с ОБ, кроме того, имеет место более равномерное усиление в пределах диапазона рабочих частот. В усилителе каскодного типа в схеме ОЭ-ОБ обратная проводимость значительно меньше, чем в каскаде с ОБ, что обеспечивает устойчивость в ВЧ- и СВЧ-диапазонах. Большой коэффициент передачи позволяет получить более высокую чувствительность.

Для расчета коэффициента шума усилительного каскада по схеме с ОЭ можно воспользоваться выражением (4. 66), а для приближенной оценки коэффициента шума однокаскадного усилителя достаточно использовать выражение, справедливое до частот 4 ГГц [1]

, (4.96)

где – справочное значение биполярного транзистора при заданном токе эмиттера.

При выборе типа биполярного транзистора в диапазоне частот до 3 ГГц предпочтение отдается кремниевым транзисторам n-p-n структуры. Это обусловлено большей подвижностью носителей заряда.

Выбор полевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с полевыми транзисторами [25]:

§ высокая линейность зависимости крутизны от управляющего напряжения, что позволяет обеспечить малые нелинейные искажения;

§ меньше коэффициент шума в диапазоне ВЧ с СВЧ;

§ малые значения входной и выходной проводимостей, входной и выходной емкостей;

§ малая мощность управляющего напряжения;

§ большой коэффициент передачи по мощности.

Для обеспечения высокой чувствительности радиоприемного устройства необходимо выбирать полевые транзисторы с малым коэффициентом шума и большим коэффициентом передачи по мощности. Величина шумового сопротивления определяется выражением (4.80), коэффициент шума (см. выше). Использование полевых транзисторов целесообразно на рабочих частотах более 2 ГГц.

Выбор микросхем. При построении структурной схемы радиоприемного устройства наиболее часто используют микроэлектронные элементы, обладающие преимуществами перед усилителями на дискретных элементах (транзисторах, резисторах, конденсаторах и т.д.):

§ высокий коэффициент передачи;

§ высокая технологичность изготовления узлов радиоприемного устройства;

§ малый разброс технических характеристик;

§ нормированные шумовые характеристики.

При расчете коэффициента шума усилителя достаточно использовать выражение

. (4.97)

Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется выражением

, (4.98)

где – коэффициенты шума первого и последующих каскадов;

– коэффициенты передачи первого и последующих каскадов.

Для оценки чувствительности радиоприемного устройства достаточно рассчитать коэффициент шума первых двух-трех каскадов усилителя на его входе. Учет влияния входной цепи рассмотрен в разделе 4.2.4.