Малошумящие входные каскады

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ

При необходимости усиления слабых сигналов, близких по уровню к электрическим флуктуациям теплового происхождения, требуются специальные меры для достижения достаточно малого значения коэффициента шума F усилителя или большого отношения сигнал/шум на его выходе. Обе величины связаны между собой простым соотношением

,

где E ²_г и e ²_ш.г – соответственно квадраты действующих значений э.д.с. полезного сигнала и шума, развиваемых источником усиливаемого сигнала, а N = U ²_с.вых/ U ²_ш.вых – квадрат отношения напряжений сигнала и шума на выходе усилителя.

Коэффициент шума многокаскадного усилителя

,

где F_i и K_Pi – соответственно коэффициент шума и коэффициент усиления по мощности i -го каскада. При достаточном значении K_{P 1} >> F ₂/ F ₁, что обычно стараются выполнять, коэффициент шума всего усилителя определяется только входным каскадом (F _общ ≈ F ₁). Поэтому специальные меры по ограничению собственного шума усилителя распространяются чаще всего на один входной каскад.

Для достижения минимального коэффициента шума УК применяют совокупность мер:

- используют низкошумящий тип УП,

- выбирают соответствующую схему каскада и начальную рабочую точку (РТ),

- выполняют условия согласования по шумам во входной цепи.

При относительно высокоомном источнике сигнала (R _г порядка десятков кОм и выше) преимущества остаются за полевыми транзисторами с управляющим p - n -переходом с высокой крутизной усиления. При R _г около 1 кОм и ниже малый коэффициент шума позволяет получить низкошумящие БТ. ПТ с изолированным затвором в настоящее время значительно уступают по своим шумовым свойствам других УП, и строить на них малошумящие каскады избегают.

Коэффициент шума каскада с БТ практически не зависит от способа включения транзистора. Но схема с ОЭ обеспечивает максимальное усиление по мощности и, следовательно, в наибольшей мере ослабляется влияние шумов следующих каскадов. Начальную рабочую точку транзистора в малошумящем каскаде выбирают при малых значениях напряжения на коллекторном p - n -переходе (1–2 В), что ограничивает шум, создаваемый обратным током I _КБ0, и предотвращает флуктуации, вызываемые предпробойными явлениями. Существует оптимальный ток коллектора в рабочей точке (РТ), зависящий от эквивалентного генератора усиливаемого сигнала R _г.э:

,

где значения параметров S, g _вх и g _ш транзистора соответствуют рабочей точке при произвольной величине I _к =I _кном; I _эб0 – обратный ток эмиттера, мА; g _ш – эквивалентная шумовая проводимость, создающая шумовой ток I _ш в эквивалентной схеме на рис. 7.*:

.

Величину g _ш можно найти экспериментально, измерив напряжение шума на выходе каскада с данным транзистором при холостом ходе (U _ш.х.х) и коротком замыкании (U _ш.к.з) во входной цепи:

,

где K – коэффициент усиления по напряжению испытательного каскада; ∆ f – полоса частот, в которой измерены напряжения шумов.

Согласование сопротивлений во входной цкпи по шумам происходит выполнении условия

,

Которое отличается от условия согласования по мощности и требует меньшего значения R _г.э, т.к. U _ш.к.з< U _ш.х.х.

При заданной величине R _г выполнить условие (7-*) удается применением трансформаторной связи с источником сигнала. Однако коэффициента шума F к рассогласованию в районе оптимума слабая, так что отличие R _г.э от оптимального значения в 2-3 раза обычно увеличивает F не более чем на 1-2 дБ.

Отношение U _ш.к.з/ U _ш.х.х.зависитот частоты, в районе которой оно измерено, и возрастает с повышением частоты, стремясь к 1 на частотах порядка f _h21б. Поэтому оптимальная величина R _г.э оказывается частотно-зависимой и начиная с частоты порядка f _h21э уменьшается, стремясь к значению, оптимальному для согласования по мощности (рис. 7.*). В районе частоты f _h21э также становится существенной реактивная составляющая b _вх входной проводимости транзистора и строгое условие согласования по шумам требует ее компенсации, причем

(7-*)

где R _г.э.опт выражается прежней формулой (7-*).

Рис. 7.1. Зависимость оптимального по шумам сопротивления источника сигнала для транзистора типа ГТ313Б (F _т=800 МГц; h _21э=150; I _э.0=5 мА).

При одновременном выполнении условий (7-*) и (7-*) или (7-*) достигается минимальный коэффициент шума

. (7-*)

Более точные выражения, а также вопросы согласования с помощью реактивных четырехполюсников рассмотрены в [ ], шумовые свойства усилителей с полевыми транзисторами освещены в [, ].

Дата добавления: 2014-01-03