ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ШУМОВ

Если даже исключены все внешние связи ФУ по помехам, все же имеется минимальный уровень собственных {внутренних) шумов. Собственные шумы имеются у всех электронных компонентов, на которых рассеивается иощность. Основными видами собственных шумов являются: тепловые, дробо­вые, контактные, импульсные.

Тепловые шумы возникают в результате теплового движения элект­ронов в веществе резистора и определяют нижний уровень шумов, достижи­мый в ФУ. Действующее значение напряжения тепловых шумов U_т, в разомк­нутой цепи, обусловленное наличием в ней сопротивления R,

где k — 1,38*10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана: Т — абсолютная темпера-тура, К; AF — полоса пропускания шумов, Гц; R — сопротивление, Ом. При комнатной температуре (290° К или 17'С): 4kT=1.6*10^-20 Вт/Гц,

Мощность тепловых шумов имеет равномерную частотную характеристику и в любой части спектра при одинаковой полосе имеет одинаковое значение, независимо от R:

P_ш = U²_т/R=4kTДF.

Для уменьшения напряжения тепловых шумов необходимо минимизировать сопротивление и полосу пропускания системы.

Дробовой шум связан с прохождением тока через потенциальный барьер. Он возникает из-за флуктуации среднего значения тока при хаотн-ческой диффузии носителей через базу транзистора и из-за случайного харак­тера генерации и рекомбинации пар электрон — дырка.

Действующее значение тока этого шума

где q=1,6-10-¹⁹ Кл — заряд электрона; 7₀ — среднее значение постоянного тока, А; ДF — полоса пропускания, Гц;

т. е. плотность дробового шума зависит только от значения проходящего тока и не зависит от частоты.

Контактные шумы вызываются флуктуацией проводимости вслед­ствие несовершенства контакта между двумя материалами. Они встречаются в композиционных резисторах, угольных микрофонах, транзисторах и диодах, и т. п., которые содержат множество сплавленных между собой частиц. В силу специфичной частотной зависимости их называют низкочастотными или 1/f шу­мами. Контактный шум I_f:

где А — постоянная, зависящая от вида материала контакта и его конфигу-рации; Т₀ — среднее значение постоянного тока, A; f — центральная частота полосы пропускания, Гц; ДF — полоса пропускания, Гц.

«Вес» контактных шумов из-за характеристики 1/f на низких частотах мо­жет быть очень большой. При исследованиях шумы 1/f наблюдаются даже при сигнале, имеющем период несколько часов. Контактные шумы — главный ис­точник помех в низкочастотных цепях.

Импульсные шумы обусловлены производственными дефектами и их можно устранить, улучшив процессы производства. Эти шумы вызываются дефектами в переходе полупроводникового прибора (обычно в виде метал­лических примесей). Импульсные шумы проявляются как резкие всплески и сопровождаются дискретным изменением уровня. Длительность шумовых им­пульсов колеблется от микросекунд до секунд, их амплитуда превышает амп­литуду тепловых шумов в 2... 100 раз, частотный диапазон составляет 0,01... ... 100 Гц. Так как этот шум связан с наличием тока, то наибольшее напря­жение шумов наблюдается в высокоомных цепях, например, во входной цепи ОУ. Для исключения импульсных помех необходимо обнаружить шумящий элемент и заменить его.

Учитывая, что все рассмотренные здесь источники шумов являются не­коррелированными, то они суммируются на основе правил сложения мощносей, следовательно, суммарное напряжение теплового, дробового, контактного и импульсного шумов определяется как

Для измерения напряжения шумов лучше всего пользоваться широкопо­лосным осциллографом. Основное преимущество осциллографа перед различ­ными вольтметрами в том, что на осциллографе можно наблюдать форму из­меряемого сигнала. При этом можно быть уверенным, что измеряются именно случайные шумы, а не наводки или фон сети частотой 50 Гц.

Действующее значение белого шума равно 1/8 (предполагается, что от­ношение амплитуды к действующему значению шумов составляет 4:1, при этом точность измерений не хуже 1,5%) двойного амплитудного значения сиг­нала, измеряемого на экране осциллографа. (При определении двойной амп« литуды на экране осциллографа один-два пика, которые будут значительно выше всей кривой сигнала, в расчет брать не следует.) Для количественной оценки шумов, вносимых отдельными электронными устройствами, используют коэффициент шума:

Коэффициент шума К_ш можно определить также как

K_щ = A_ВХ/A_ВЫХ,

где А_ВХ=Р_С.ВХ/Р_Ш.ВХ, A_вых = Р_с.вых/Р_ш.вых; т. е. K_ш показывает, во сколько раз отношение сигнал-шум на входе устройства больше отношения сигнал-шум на его выходе. Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется следующим выражением:

где K_ш1 и K_P1 — коэффициенты шума и усиления по .мощности первого каска­да; K_ш2 и K_р2 — те же коэффициенты для второго каскада и т. д.

Из этого уравнения следует, что при достаточном коэффициенте усиления первого каскада суммарный коэффициент шума определяется коэффициентов шума первого каскада.

Для уменьшения уровня помех и шумов в общей системе необходимо ограничивать полосу пропускания усилителя до значения, соответствующего полосе слышимых звуковых сигналов. Поэтому в начале тракта необходимо устанавливать фильтры, ограничивающие полосу слышимых частот. Полоса пропускания последующих ФУ выбирается из условия обеспечения высокого качества их динамических характеристик (линейность фазо-частотной характе­ристики, высокая крутизна переходной характеристики и т. п.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атаев Д. И., Болотников В. А.Унификация в радиолюбительских конструк­циях. — Радио, 1983, № 12, с. 32 — 35.

2. Пикерсгиль А., Беспалов И.Феномен «транзисторного звучания». — Радио, 1981, № 12, с. 36 — 38.

3. Банк М. У.Параметры бытовой приемно-усилительной аппаратуры и мето­ды их измерения. — М.: Радио и связь, 1982. — 136 с.

4. Лихницкий А. М., Школьников Р. М.Применение метода компенсации для измерения параметров усилителя низкой частоты. — Техника средств свя­зи. Сер. ТРПА, 1981, № 1, с. 25 — 34.

5. Атаев Д. И., Болотников В. А.Подавление помех и шумов в усилителях 34. — Радио, 1984, № 4, с. 43 — 45, № 5, с. 35 — 36.

6. Атаев Д. И., Болотников В. А.Предусилители-корректоры для магнитного звукоснимателя. — Радио, 1982, № 4, с. 38 — 40.

7. Эфруси М. М.Микрофоны и их применение. — М.: Энергия, 1974. — 88 с.

8. Терехов А.О регулировании громкости. — Радио, 1982, № 9, с. 42 — 43.

9. Орлов П., Приходько А.О регулировании громкости в стереофонических усилителях. — Радио, 1980, № 6, с. 44 — 45.

10. Кинг Г.Руководство по звукотехнике: Пер. с англ. — Л.: Энергия 1980 — 384 с.