3.6. Собственные помехи усилителей

Как отмечалось при рассмотрении АХ, на выходе усилителя наряду с напряжением сигнала действует и некоторое небольшое напряжение собственных помех U_п.вых усилителя, величину которого можно определить при отсутствии полезного сигнала на входе усилителя.

Причинами появления этого напряжения являются наводки, фон, шумы микрофонного эффекта, тепловые шумы, шумы УЭ и дрейф.

Наводками называют переменные напряжения на выходе усилителя, возникающие из-за паразитных электрических, магнитных, гальванических и других связей усилителя с посторонними электрическими устройствами – соседними усилителями, генераторами, силовыми трансформаторами, электродвигателями и т.д.

Напряжение наводок всегда можно уменьшить до допустимого минимума удалением усилителя от источников наводок, экранированием усилителя и его цепей, использованием балансных и двухтактных схем, включением в цепи питания развязывающих фильтров, использованием отрицательной обратной связи (ООС).

Фоном называют переменное напряжение в выходной цепи усилителя с частотами, кратными частоте сети переменного тока, от которой питается усилитель. Он появляется в результате питания усилителя от выпрямителя с недостаточно сглаженными пульсациями выпрямленного сетевого напряжения, а также вследствие наведения напряжения фона в цепях усилителя электростатическими и магнитными полями сетевых проводов, трансформаторов выпрямителей, а в ламповых усилителях еще и вследствие питания цепей накала ламп переменным током. Для уменьшения напряжения фона улучшают сглаживание пульсаций выпрямленного питающего напряжения повышением качества фильтров выпрямителя, применением стабилизаторов выпрямленного напряжения и использованием дополнительных сглаживающих и развязывающих фильтров (R_ф C_ф - цепочек) в цепях питания усилителя, экранируют цепи усилителя, используют балансные и двухтактные схемы усилительных каскадов, применяют ООС, а в ламповых усилителях используют специальные лампы и схемы при питании цепей накала ламп переменным током или питают цепи накала постоянным током.

Напряжение фона всегда можно уменьшить до требуемого минимального значения На выходе усилителя оно должно быть по крайней мере на 60...65 дБ ниже номинального напряжения полезного сигнала.

Шумами микрофонного эффекта называют переменные напряжения, которые могут возникнуть на выходе усилителя в результате воздействия на него механических вибраций, толчков и т.п.

Сразу же следует отметить, что широко применяемые бестрансформаторные транзисторные усилители и усилители на ИМС не подвержены микрофонному эффекту.

Эти шумы могут возникать только в ламповых усилителях и в усилителях со входными трансформаторами с сердечниками из некоторых магнитных материалов, например, из пермаллоя. Именно электронные лампы (ЭЛ) и такие трансформаторы могут обладать микрофонным эффектом, то есть преобразовывать механические воздействия на них в переменные напряжения. Дело в том, что при механических воздействиях на ЭЛ с недостаточно жесткой конструкцией электродов расстояние между электродами может произвольно изменятся, что приведет к изменению токов лампы и к появлению на ее выходе колебаний произвольной сложной формы. При воздействии на входной трансформатор с сердечником, обладающим магнитострикционным эффектом, эти воздействия преобразуются в ЭДС произвольной формы. Для уменьшения микрофонных шумов в таких усилителях используют ЭЛ с более жесткой конструкцией электродов и (особенно в первом каскаде), а также амортизируют ЭЛ и те входные трансформаторы, которые обладают микрофонным эффектом.

Следует особо подчеркнуть, что в правильно сконструированном усилителе напряжение наводок, фона и микрофонного эффекта всегда может быть уменьшено до такого минимального значения, которое в результирующем напряжении собственных помех на выходе усилителя U_п.вых будет пренебрежимо малым.

Иначе обстоит дело с напряжениями других составляющих в U_п.вых, а именно, составляющих, обусловленных тепловыми шумами пассивных элементов и шумами УЭ.

Тепловыми шумами называют флуктуационную (хаотически отклоняющуюся от среднестатического значения) непериодическую помеху, возникающую вследствие теплового хаотического движения свободных электронов в пассивных элементах, цепях и проводниках усилителя.

Тепловые шумы пассивной цепи усилителя с полным сопротивлением Z=R+ jX принято представлять в виде независимого источника шумовой (тепловой) ЭДС с действующим значением Е_ш.т в Вольтах, определяемым из среднеквадратического значения (или в виде независимого источника шумового тока с действующим значением в Амперах , получаемым из выражения , с проводимостью Y=G+jB), где [Дж/К] – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура цепи в градусах по Кельвину (К), R-резисторная составляющая сопротивления цепи в Омах в полосе частотf в Герцах.

Энергетический частотный спектр тепловых шумов, характеризуемый зависимостью спектральной плотности от частоты, равномерный и непрерывный в полосе частот от f_мин=0 до f_макс= (практически до f_макс10¹²Гц).

Из выражения для нормальной температуры T₀=293К (20С) получается следующее выражение для действующего значения шумовой (тепловой) ЭДС пассивной цепи

, (3.24)

которое удобно для практических расчетов.

Шумовые (тепловые) ЭДС возникают во всех пассивных цепях усилителя, но практическое значение имеет в основном лишь тепловой шум входной цепи усилителя, ибо он усиливается всеми каскадами (наибольшим числом каскадов) и поэтому имеет на выходе усилителя наибольшее значение.

ЭДС тепловых шумов входной цепи усилителя можно определить по выражению (3.24), подставляя в него рабочую полосу частот усилителя f=f_в-f_н и сопротивление источника сигнала R_ист на средних рабочих частотах с учетом шунтирования его сопротивлениями, которые обычно включаются с той или иной целью на входе первого (входного) УЭ усилителя (например, сопротивлением делителя смещения R_д при БТ, сопротивлением R_з в цепи затвора ПТ, сопротивлением R_сет в цепи управляющей сетки ЭЛ и т.д.).

. (3.25)

Для уменьшения тепловых шумов входной цепи усилителя нужно уменьшать сопротивление этой цепи и прежде всего сопротивление источника сигнала, охлаждать его и сужать полосу пропускаемых частот. Но практических возможностей для этого недостаточно: существенное понижение температуры входной цепи технически сложно и дорого и приемлемо только в специальных случаях (например, в системах космической связи), полоса рабочих частот определяется назначением усилителя и не может быть произвольно уменьшена, сопротивление источника сигнала обычно определяется назначением того устройства, в состав которого усилитель входит, уменьшение сопротивления источника сигнала приводит к уменьшению его ЭДС, что может ухудшить отношение сигнал / помеха на входе усилителя. Из сказанного ясно, что, в отличие от наводок, фона и шумов микрофонного эффекта, уменьшить тепловые шумы до любой величины нельзя.

В заключение рассмотрения тепловых шумов следует отметить, что в используемых в усилительных и других электронных устройствах непроволочных резисторах, кроме тепловых шумов, могут возникать при прохождении через них тока еще и так называемые шумы флуктуаций проводимости с почти равномерным спектром, вследствие зернистости структуры проводящего слоя (в проволочных резисторах таких шумов нет).

При токе, соответствующем допустимой мощности резистора, ЭДС этих шумов может превышать ЭДС тепловых шумов резистора на два-три порядка. При отсутствии тока через непроволочный резистор шумов флюктуаций проводимости в резисторе нет и в нем будут только тепловые шумы. Поэтому для снижения шумов флюктуаций проводимости непроволочных резисторов до допустимого значения подбирают малошумящие типы и экземпляры резисторов и уменьшают силу тока в них.

Шумы усилительных элементов (УЭ) имеют ряд составляющих: дробовые шумы; шумы, вызываемые флуктуациями токораспределения между электродами УЭ; шумы, обусловленные эффектом мерцания эмиттирующих электродов, тепловые шумы (свойственные БТ и практически отсутствующие у УЭ с высоким входным сопротивлением, то есть у ПТ и ЭЛ).

В связи с этим спектральная плотность шумов УЭ имеет более сложную зависимость от частоты, чем спектральная плотность тепловых шумов резисторов. Являясь постоянной в широкой полосе частот, совпадающей с рабочими полосами частот многих транзисторных и ламповых усилителей, она возрастает на сравнительно низких и сравнительно высоких частотах. Шумы УЭ, как и тепловые шумы пассивных элементов (резисторов), нельзя уменьшить до любой величины, их можно уменьшить лишь до определенного предела выбором типов УЭ и режимами их работы.

Для оценки шумовых свойств транзистора применяется коэффициент шума транзистора К_ш, который обычно выражается в децибелах К_ш(дб)=10^.lgК_ш и приводится в справочниках по транзисторам. Он показывает на сколько децибел включенный в цепь усиливаемого сигнала транзистор увеличивает мощность тепловых шумов этой цепи. Коэффициент шума транзистора зависит от его типа и режима работы. У хороших БТ с правильным режимом работы он не превышает 1,5…2 дБ, у хороших ПТ он еще меньше.

Шумовые свойства ЭЛ оценивают эквивалентным шумовым сопротивлением R_ш.л, создающим на ее входе эквивалентную шумовую ЭДС, численно равную фактическим шумам ЭЛ, приведенным к ее входу. Шумовое сопротивление зависит от типа электронной лампы, у ламповых триодов оно меньше, чем у экранированных ламп.

В многокаскадных усилителях «шумят» все УЭ, но на величину собственных помех на выходе усилителя заметно влияют лишь шумы первого (входного) УЭ, ибо они усиливаются всеми последующими каскадами усилителя. Поэтому в многокаскадных усилителях с большим коэффициентом усиления в качестве первого (входного) УЭ выбирают малошумящие УЭ (БТ, ПТ и ЭЛ).

Дрейфом называют изменение выходного напряжения усилителя при строго неизменном (например, равном нулю) напряжении на его входе, вызванное изменениями температуры всех элементов и особенно УЭ усилителя, колебаниями напряжения источников питания и старением УЭ. Все эти причины приводят к изменению исходного режима работы УЭ и, как следствие этого, к возникновению дрейфа. Таким образом, дрейф это специфическая внутренняя помеха усилителя с малыми частотами, приближающимися к нулю.

Дрейф выходного напряжения оценивают приведенным ко входу эквивалентным напряжением, создающим такое изменение напряжения (или тока)на выходе усилителя, какое вызывается фактической помехой.

Дрейф особенно проявляется в УПТ с гальванической связью между каскадами, ибо дрейф предыдущих каскадов усиливается всеми последующими каскадами. В этом смысле особенно заметен дрейф первого ( входного) каскада. Для его уменьшения каскады усиления постоянного тока и особенно входной каскад выполняют по дифференциальной схеме, которая позволяет уменьшить уровень дрейфа в сотни и тысячи раз. Очень эффективным средством уменьшения дрейфа в многокаскадных усилителях является отрицательная обратная связь (ООС).

В заключение рассмотрения вопроса о внутренних помехах усилителей следует особо отметить, что в правильно сконструированном многокаскадном усилителе напряжение собственных помех на выходе усилителя U_п.вых (см.рис.3.2. в разделе об АХ) определяется в основном тепловыми шумами входной цепи и шумами первого (входного) УЭ усилителя.

В связи с этим шумовые свойства многокаскадного усилителя оценивают по величине действующего значения приведенной ко входу усилителя шумовой ЭДС:

, (3.26),

где Е_ш.т.ист – действующее значение шумовой (тепловой) ЭДС источника сигнала во входной цепи усилителя (3.25);

Е_ш.УЭ1 – приведенное ко входу действующее значение ЭДС шумов первого УЭ.

Как видно из (3.26), суммирование ЭДС теплового шума источника сигнала Е_ш.т.ист и приведенной ко входу ЭДС шумов первого УЭ производится по квадратичному закону. Это обусловлено тем, что тепловые шумы источника сигнала и приведенные ко входу шумы первого УЭ статистически независимы и их суммирование ведется по мощностям.

Именно ЭДС Е_ш.вх.ц, усиливаясь всеми каскадами усилителя и определяет в основном напряжение собственных помех на выходе усилителя U_п.вых=Е_ш.вх.цК^*, и, следовательно, допустимые минимальные значения напряжений сигнала на выходе U_{вых.мин} и входе U_вх.мин усилителя и допустимое минимальное значение ЭДС источника сигнала Е_{ист.мин} (см.рис.3.2 в разделе об АХ).

В транзисторных усилителях, в том числе в интегральном исполнении, зная ЭДС тепловых шумов источника сигнала Е_ш.т.ист (3.25) и коэффициент шума первого транзистора К_ш.УЭ1, можно сразу , без вычисления приведенной ко входу ЭДС шумов этого транзистора Е_ш.УЭ1 , найти результирующую шумовую ЭДС на входе усилителя Е_ш.вх.ц по выражению:

. (3.27)

Это выражение вытекает из определения коэффициента шума транзистора, приведенного выше при рассмотрении шумов УЭ. Для лучшего понимания выражения (3.27) можно привести еще два известных определения коэффициента шума транзистора:

1. Коэффициент шума транзистора показывает, во сколько раз мощность шумов на выходе реального транзистора превышает мощность шумов на выходе такого же, с такими же параметрами, но не шумящего (идеального) транзистора:

. (3.28)

2. Коэффициент шума транзистора К_ш показывает, во сколько раз ухудшается отношение мощности сигнала к мощности шума в выходной цепи транзистора по сравнению с тем же отношением у ненагруженного источника сигнала:

, (3.29)

где и - соответственно квадраты действующих значений ЭДС сигнала и шума источника сигнала (или, что-то же самое, квадраты действующих значений напряжений сигнала и шума на зажимах ненагруженного источника сигнала), а и - квадраты действующих значений напряжений сигнала и шума в выходной цепи транзистора. Очевидно, что коэффициент шума всегда больше единицы.

Что касается вычисления Е_ш.вх.ц в случае использования ЭЛ, то этот вопрос представляет собой больше теоретический, чем практический интерес, так как в настоящее время ЭЛ используются в основном лишь в очень мощных трансляционных и модуляционных усилителях, где превышение сигнала над собственными шумами большое. Однако, если бы лампы использовались и в предварительных, то есть малосигнальных усилителях, то для определения в нем Е_ш.вх.ц. (3.26) пришлось бы кроме Е_ш.т.ист (3.25) вычислять и Е_ш.УЭ1 с помощью шумового сопротивления первой (входной) лампы. Оно находится с использованием выражения (3.24), в котором вместо R подставляют R_ш.ЭЛ1, а вместо f подставляют (f_в-f_н):

. (3.30)

При этом R_ш.ЭЛ1 берут из справочника или находят по приведенным ниже приближенным формулам соответственно для лампового триода и экранированной лампы:

; , (3.31)

где i_a0 и i_a0 - соответственно анодный и экранный токи покоя, а S- крутизна характеристики анодного тока лампы в точке покоя.