Шумы усилительных элементов (УЭ)

Шумы УЭ имеют несколько составляющих, которые обусловлены как физикой происходящих в УЭ процессов, так и его конструкцией и тех­нологией изготовления. Важнейшими из них являются: тепловые шумы (для БТ), дробовые шумы, шумы перераспределения тока между элект­родами, фликкер-шумы, связанные с поверхностными явлениями в об­ласти переходов.

Для количественной оценки уровня шумов УЭ часто используют ко­эффициент шума F_ш - отношение полной мощности шумов (от всех воз­можных источников шума) на выходе УЭ P_2шс к той ее части, которая обусловлена тепловым шумом источника сигнала:

Здесь P_2m1 = K²_e4kTR₁D f /R₂ - тепловые шумы источника сигнала, пе­ресчитанные на выход. Коэффициент шума нередко выражают в децибе­лах

Для идеального (нешумящего) УЭ Р_2шс = Р2_ш1 F_ш=1 и N_ш = 0 дБ.

Для снижения уровня шума и повышения отношения сигнал-шум не­обходимо во входном каскаде усилителя использовать малошумящие УЭ.

Например, кремниевые ПТ с управляемым р-n переходом на частоте 1 кГц имеют коэффициент шума от 0.3 до 0.5 дБ, у БТ (даже малошу­мящих, типа КТ371 или КТ382) коэффициент шума значительно выше (2 ÷ 3 дБ).

В справочниках приводится значение коэффициента шума для ком­натной температуры (25 °С), определенного значения R_r (600 Ом для БТ и 1 МОм для ПТ). для конкретного, режима по постоянному току на частотах от 1 кГц до сотен мегагерц. Для получения малого коэффи­циента шума необходимо, чтобы напряжение питания не превышало не­скольких вольт, а ток в рабочей точке составлял 1+3 мА, a R_г = R_г.опт.

В связи с тем, что коэффициент шума представляет собой меру сравнения шума УЭ с тепловым шу­мом некоторого (по существу, произ­вольного) сопротивления, он сильно зависит от величины этого со­противления (от сопротивле­ния источника сигнала), что является су­щественным недостатком этого параметра. Этот недостаток не позво­ляет непосредственно использовать приводимую в справочниках ве­личину коэффици­ента шума, измеренную для стандартизированного R_г, при расчете усилителей, у которых реальная величина R_г отличается от спра­вочной. Пренебрежение этим обстоятельством может привести к значительной ошибке при оценке чувствительности усилителя. Поэтому наряду с коэффициентом шума для оценки шумовых свойств УЭ исполь­зуют параметры его формальной шумовой эквивалентной схемы. В этом случае реальный УЭ заменяется идеальным (нешумящим), а его шумы описываются двумя шумовыми гене­раторами тока или напряжения, действующими на внешних зажимах УЭ. Один из вариантов такой схемы приведен на. рис. 2.13. Коррелиро­ванные генераторы тока I_Ш1, I_Ш2 являются соб­ственными (автономны­ми) шумовыми параметрами УЭ, их величина не зависит от условий на входе. С их помощью можно рассчитать как собственный уровень шумов УЭ при любом К_г, так и его коэффици­ент шума при тех же условиях.

Дрейф

Дрейф является основным источником погрешности в УПТ. Он про­является в самопроизвольном изменении выходного напряжения (тока) при неизменном или равном нулю входном напряжении (токе). Следует различать медленный (f <1 Гц) и быстрый (f > 1 Гц) дрейф. Быстрый дрейф относят к внутрен­ним шумам усилителя, а медленный является еще од­ной разновидностью внутренних помех. Поскольку для УПТ нижняя ра­бочая частота равна нулю (разд.1.2), то медленный дрейф (в даль­нейшем просто дрейф) оказывает наибольшее влияние на работу именно этого типа усилителей. Причины дрейфа: из­менение температуры, на­пряжения питания, старение УЭ и др. Способы оценки и уменьшения уровня дрейфа будут рассмотрены в разделах, посвященных ОУ.