Запорожец  Издания 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 [ 106 ] 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193

Обычно для получения приемлемого уровня сигнала необходимо иметь отношение сигнал/шум по крайней мере около 10 (20 дБ), а в ряде случаев требуется отношение от 30 до 40 (30- 36 дБ). Например, чтобы получить качественное телевизионное изображение без видимых искажений, необходимо отношение сигнал/шум около 30 (36 дБ). Если это отношение опускается ниже 10 (20 дБ), то суммарные искажения становятся такими, что изображение едва заметно, ниже 3(10 дБ) на изображении появляется «снег». Если отношение стало ниже 1 или 2 (О- 6 дБ), то очень трудно вообще что-либо различить на экране.

Реальньши ОУ «Бесшумный.-» 0U


Рис. 5.28. Эквивалентное напряжение входного шума. v„„„,3„

Выделим два основных источника шума в электронной системе усиления: тепловой шум и дробовой шум. Тепловой шум (или шум Джонсона) возникает из-за хаотического теплового движения заряженных носителей (электронов и дырок) в различных схемных компонентах усилителя, особенно в резисторах и транзисторах. Дробовой шум является результатом случайных флуктуации при протекании тока через электронные приборы. Как тепловой, так и дробовой шум - случайные функции времени со средним значеньем, равным нулю, и нормальным распределением плотности вероятности.

В любом электронном приборе или компоненте существуют незначительные колебания напряжения или флуктуации тока, называемые шумом. ОУ не является исключением. Электрический шум, возникающий внутри ОУ, особенно шум, обусловленный транзисторами и резисторами первого или входного каскада. Накладывается иа полезный сигнал и частично отражается на выходном напряжении. Анализируя идеальный «бесшумный» ОУ с последовательно подключенным к одному из входов источником эквивалентного входного шума, и,- (noise) (рис. 5.28), внутренние шумы ОУ легко описать, а значит, и оценить их влияние. Обычно этот источник подключают к неинвертирующему входу.

Напряжение шума - чисто случайная функция времени с математическим ожиданием, равным нулю или постоянному значению. Это напряжение удобнее всего выразить через зависимость между его среднеквадратичным значением и заданным диапазоном Частот или полосой пропускания. Кривая спектрального распределения напряжения шума плоская, кроме области низких частот IS 100 Гц), как и показано на рис. 5.29. Среднеквадратичное 11*



4(< ЮОГц) Vffcwoma (Логари1рмичес/<ий -

масштпа5)

Рис. 5.29. Спектральное распределение напряжения входного шума.

20 дБ/декада), результирующая полоса пропускания, используемая для расчета шума («полоса шума»), связана с полосой пропускания системы (по уровню 3 дБ) выражением {BW)n = (я/2) {BW)saB- Например, ОУ с эквивалентным напряжением входного шума (спектральной плотностью) 20 нВ/Гц и полосой пропускания 10 кГц имеет среднеквадратичное напряжение входного шума 20 нВ/Гц/2[(л/2)-10 кГц]/ = 2,5 мкВ. Следовательно, чтобы обеспечить отношение сигнал/шум 10 : 1, уровень входного сигнала должен быть 25 мкВ. При уровне сигнала 2,5 мкВ это отношение равно единице, и сигнал сильно искажен и едва различим среди шумов. Если же это отношение становится меньше единицы, то сигнал «тонет» в шумах и восстановить его практически невозможно. Следовательно, напряжение входного шума определяет чувствительность системы по отношению к слабым сигналам.

Другой источник шума, представляющий интерес, - входной ток смещения /д. Этот ток практически постоянный, но из-за дискретной природы электрического тока возможны его незначительные флуктуации. Эти флуктуации представляют собой «шумо-

напряжение шума пропорционально корню квадратному из ши-рины полосы пропускания.

Эквивалентное напряжение входного шума обычно представляется в виде спектральной плотности - среднеквадратичного значения напряжения входного шума, отнесенного к единице ширины полосы пропускания, и задается в единицах нВ/Гц/2. Типичное значение эквивалентного напряжения входного шума для ОУ составляет 20 нВ/Гц. В системе, характеризуемой одной точкой излома частотной характеристики (т. е. с наклоном

1 (noise; Спектральная плотность

«И/ун 1Л » мерцания»



ВОЙ ТОК», называемый дробовым шумом, который, как и напря-jKeHne шума, имеет среднее значение, равное нулю или постоянной, и характеризуется своим среднеквадратичным значением. Его кривая спектрального распределения довольно плоская, кроме области низких частот (<100 Гц), и среднеквадратичное значение тока дробового шума пропорционально корню квадратному из ширины полосы пропускания. Спектральная плотность тока дробового шума равна среднеквадратичному значению тока дробового шума, отнесенному к единице ширины полосы пропускания, и выражается в единицах пА/Гц/ или фА/Гц/ (] фд = = Ю" А). Ток дробового шума (спектральная плотность) связан с током смещения простым соотношением in = {elsY, где е - заряд электрона (1,610"" Кл). Например, для = 100 нА ток дробового шума равен i = 0,18 пА/Гц/.

Еще один важный источник шума в ОУ - напряжение теплового шума, которое связано с падением напряжения на резисторах ОУ и пропорционально корню квадратному из температуры. Это случайное напряжение со средним значением, равным нулю или постоянной, описывается отношением среднеквадратичного значения к ширине полосы пропускания. Среднеквадратичное напряжение теплового шума пропорционально корню квадратному из ширины полосы пропускания, спектральная плотность которого равна среднеквадратичному напряжению теплового шума, отнесенному к единице ширины полосы пропускания. Напряжение теплового шума дается формулой = {AkTRyi, где k - постоянная Больцмана (1,38 10""7К), Т - абсолютная температура в Кельвинах vl R - сопротивление резистора. При температуре 293 К (20 °С) данное выражение имеет вид = (1,6-10-</?)i/2, и для к = 1 МОм получим uth = 127 нВ/Гц. Общее напряжение шума от разных (некоррелированных) источников равно квадратному корню суммы квадратов соответствующих шумовых напряжений, т. е. как если бы они были соединены последовательно.

Рассмотрим простой пример расчета шума для схемы ОУ на рис. 5.30. Пусть ОУ имеет шумовое напряжение („> = = 20 нВ/Гц/2 и /в= 100 нА, т. е. = 0,18 пА/Гц/. Предположим, что полоса пропускания при замкнутой обратной связи 10 кГц, и для простоты будем считать, что Ri и R., достаточно малы (<10 кОм), поэтому их шумами можно пренебречь.

Если сопротивление R невелико (<10 кОм), то преобладающим источником шума будет входной шум ОУ с эквивалентным папряжепием 20 hB/Th/. Тогда результирующее напряжение Щт (среднеквадратичное значение) равно 2,5 мкВ при полосе пропускания 10 кГц.

При R = 250 кОм преобладающим становится тепловой шум напряжением 63 нВ/ГцЯ Шумовое напряжение, связанное



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 [ 106 ] 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193