Конспект лекций для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401. 65 «Физика и техника оптической связи»

Шумы активных элементов

Шумовой ток на выходе активных элементов (ламп, транзисторов) состоит из трех составляющих: теплового, дробового и так называемого избыточного. Тепловые шумы возникают на активных проводимостях активных элементов. ЭДС этих шумов рассчитывается как было указано ранее для сопротивлений.

Дробовые шумы связаны с неоднородностью протекания токов в активных элементах. Для характеристики этих шумов обычно вводится сопротивление R_ш как мера дробовых шумов активного элемента.
При этом мощность дробовых шумов можно определить как


(3.9)


Реально в эквивалентной схеме этого сопротивления не существует. Введение понятия R_ш позволяет нам унифицировать формулы представления шумов различной природы.
На высоких частотах в силу инерционности носителей заряда шумы активных элементов возрастают. В нижней области спектра имеются избыточные шумы, так называемые фликкер-шумы или шумы мерцания. Верхняя граница этих шумов не превышает десятков Гц и поэтому эти шумы в радиоприемных устройствах не играют существенного значения и ими обычно пренебрегают.
Эквивалентную схему шумящего активного 4-полюсника можно представить как соединение нешумящего активного элемента, на входе которого включены генераторы теплового и дробового шумов.


Коэффициент шума


Реальные источники сигнала и усилители сигналов можно представить как шумящие, т.к. последние способны вносить шумовые компоненты и тем самым ухудшать отношение сигнал/шум на выходе усилительных устройств различного назначения.
Любую систему можно представить в виде следующей структурной схемы, состоящей из шумящего источника сигнала и шумящего 4-полюсника.

Рис. 3. 4


Шумящий 4-полюсник обладает номинальными мощностями сигнала Р_с и шума Р_ш. Изменение отношения сигнал шума по сравнению с отношением сигнал/шум на входе 4-полюсника характеризует шумовые свойства шумящего 4-полюсника.


Заметим, что в этом отношении фигурируют номинальные мощности, т.е. мощности, отдаваемые в согласованную нагрузку. При нарушении согласования - мощности сигнала и шума изменяются по сравнению с номинальными, однако эти мощности изменяются одинаково и их отношение остается постоянным. Поэтому отношение номинальных мощностей сигнала и шума может служить для оценки источника не только на согласованную, но и на рассогласованную нагрузку. Следовательно, полученные результаты, справедливые для режима согласования можно распространить и на случай рассогласования. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривает лишь режимы согласования при оценки шумовых свойств шумящих 4-полюсников.
П редположим, что на вход шумящего 4-полюсника подается смесь сигнала и шума с выхода шумящего источника сигнала, при этом отношение сигнал/шум на выходе источника сигнала можно представить как . На выходе шумящего 4-полюсника мощности сигнала и шума определяются шумовыми свойствами этой цепи.
Для характеристики шумовых свойств шумящего 4-полюсника вводится коэффициент шума, который представляет собой отношение на входе к отношению сигнал/шум на выходе исследуемой цепи и может быть представлен как


(3.10)


Таким образом, коэффициент шума показывает во сколько раз изменяется соотношение сигнал/шум при прохождении через шумящий 4-полюсник.


, (3.11)

где - коэффициент усиления по мощности шумящего 4-полюсника.

Отсюда .
Шумы 4-полюсника можно пересчитать ко входу, тогда величина является полной мощностью шумов источника и 4-полюсника, пересчитанная ко входу последнего. Тогда коэффициент шума есть отношение пересчитанной ко входу полной мощности шумов к величине мощности шумов источника и определяется по формуле


(3.12)


О бычно считают, что у шумящего источника сигнала шумы создаются внутренним сопротивлением и равны . С учетом этого коэффициент шума можно представить как

, или (3.13)

Представим номинальную выходную мощность шумов в виде суммы мощностей шума источника и собственных шумов 4-полюсника


(3.14)


Тогда коэффициент шума 4-полюсника можно представить следующим образом'


(3.15)


Очевидно, что в случае идеального нешумящего 4-полюсника и . При наличии шумов величина коэффициента шума возрастает тем сильнее, чем больше шумит 4-полюсник.
Выражение для собственных шумов 4-полюсника можно представить


(3.16)


Таким образом, зная коэффициент шума 4-полюсника можно определить его собственные шумы.