Контрольна робота
Шумові флуктуації
Зміст
1. Джерела шумів
2. Виділення сигналів з шуму
Література
1. Джерела шумів
При посиленні слабких сигналів серйозні труднощі викликають так звані шуми - флуктуації напруги, що виникають в підсилювачі одночасно з досліджуваними сигналами. Шумові флуктуації накладаються на досліджувані сигнали і тому ускладнюють їх точне вимірювання. Для отримання правильних результатів необхідно, щоб амплітуда досліджуваних сигналів значно перевищувала амплітуду шумових флуктуації. Тому зазвичай говорять про отримання максимального відношення сигнал/шум U С/ U Ш. Під відношенням сигнал/шум звичайно розуміють відношення потужності сигналу до потужності шуму. Природно, що для збільшення цього відношення, насамперед, необхідно прагнути до збільшення чисельника, тобто до максимального значення потужності самого сигналу. Подальше поліпшення відносини U С/ U Ш досягається зменшенням потужності шумів U Ш .
За своїм походженням шуми бувають двох видів. До першого належать перешкоди або наведення, що з'являються в результаті поганого технічного виконання підсилювача або викликані зовнішніми джерелами електромагнітних коливань. Ці шуми називають конструктивними. При досить продуманій конструкції їх можна практично звести нанівець. Другий вид шумів пов'язаний з флуктуаціями електричних зарядів в транзисторах і деталях. При вирішенні конкретних завдань він може бути знижений до певного рівня, але повністю його ліквідувати не можна. У підсумку цей вид шумів визначає ставлення U С/ U Ш, тому питанням його зменшення надалі приділяється основна увага.
Шуми можуть виникати в будь-якій точці підсилювача, що складається з декількох каскадів. Очевидно, найбільший внесок у сумарний рівень шумів на виході дає шум першого каскаду. Шумами, виникаючими в подальших каскадах, можна практично знехтувати.
Для зручності оцінки різних видів шумів їх зазвичай призводять до входу підсилювача, т.е.
U Ш. ВХ= U Ш. ВИХІД/ До .
Розглянемо основні джерела та види шумів, викликаних флуктуаціями електричних зарядів.
Тепловий шуми. Теплові шуми виникають в результаті теплового руху електронів в речовині, з якого складається опір, і вони задають нижній рівень шумів, досяжний в схемі. Теплові шуми називаються також шумами опору або джонсоновской шумами (по імені відкрив їх Дж.Б. Джонсона). У 1928 р Джонсон виявив, що у всіх провідниках мається неперіодичне напруга, величина якої залежить від температури. У цьому ж році Найквіст описав ці шуми математично залученням положень термодинаміки. Він показав, що чинне (ефективне, середньоквадратичне) значення напруги шумів в розімкнутого ланцюга, обумовлене наявністю у неї опору, дорівнює
де k - постійна Больцмана; Т - абсолютна температура,? К (? К =? С + 273); В - еквівалентна смуга пропускання шумів для розглянутої схеми, Гц; R - опір, Ом.
При кімнатній температурі (290? К або 17 ° С ) 4 kT =1,6-20Вт/Гц.
Дана формула описує теплові шуми активних резисторів при будь-яких температурах, виключаючи дуже низькі температури (температуру рідкого гелію) і дуже високі температури, на яких потужність теплового шуму менше kТВ .
Теплові шуми виникають у всіх елементах, що володіють опором. Напруга теплових шумів пропорційно квадратному кореню з смуги пропускання і опору. Отже, може виявитися доцільним для зменшення напруги теплових шумів мінімізувати опір і смугу пропускання системи. Якщо тепловий шум все ж залишається значним, істотного зменшення його можна домогтися, використовуючи схему при наднизьких температурах (близької до абсолютного нуля) або застосовуючи параметричний підсилювач. Цей підсилювач не має теплових шумів, оскільки його посилення засноване на змінюваному з великою швидкістю реактивному опорі.
Тепловий шум є універсальною функцією, що не залежить від матеріалу опору. Наприклад, вуглецевий резистор 1 кОм дає тепловий шум точно такої ж величини, що і танталовий тонкоплівковий резистор того ж номіналу. Елементи електричних схем можуть створювати теплові шуми тільки в тому випадку, якщо вони здатні розсіювати енергію.
...
