Шумы радиотехнических цепей

Содержание

Слайд 2

Описывается интегральной функцией распределения F(x).
F(x) определяет вероятность, что U(t) не превосходит

Описывается интегральной функцией распределения F(x). F(x) определяет вероятность, что U(t) не превосходит
заданный уровень x:
F(x)= P(uПроизводная от этой функции называется плотностью вероятности непрерывной случайной величины:
W(x) = dF/dx.

Характеристики шумового процесса .

Под шумовым (флуктуационным) процессом мы будем понимать хаотически меняющиеся напряжения U(t), которое присутствует на зажимах любой цепи приемника.

Слайд 3

Отдельные частные характеристики случайного процесса:
математическое ожидание или среднее значение или первый момент

Отдельные частные характеристики случайного процесса: математическое ожидание или среднее значение или первый
m1 случайной величины:
среднее значение квадрата случайной величины m2:
средний квадрат отклонения случайной величины от ее среднего значения или дисперсия случайной величины D = 2=
Так как

Слайд 4

Энергетическими характеристиками случайного процесса:
спектральная характеристика S(ω) или G(f)
функция корреляции R()

Энергетическими характеристиками случайного процесса: спектральная характеристика S(ω) или G(f) функция корреляции R()
=
S(ω) – односторонний спектр мощности численно равен мощности случайного процесса в полосе 1 радиан ( П=1/ 2 Гц) вблизи частоты ω (циклической частоты) на сопротивлении R=1 Ом.
G(f) – удельный шум численно равен мощности в П=1 Гц на R=1 Ом.
ω =2f, следовательно: G(f)= 2 S(ω).

Слайд 5

Для этих случайных процессов :
S1(ω) < S2(ω), а R1() > R2().

Функции

Для этих случайных процессов : S1(ω) R2(). Функции R(τ) и S(ω) дают
R(τ) и S(ω) дают представление и о форме случайного процесса.
Например: имеем два случайных процесса U1(t) и U2(t) характеризуемые S1(ω), S2(ω), R1() и R2().

Слайд 6

Белый шум

Белым шумом называются флуктуации, спектральная плотность которых S(ω) или G(f)

Белый шум Белым шумом называются флуктуации, спектральная плотность которых S(ω) или G(f)
постоянна при изменении частоты от нуля до бесконечности.

В большинстве случаев Пш>>Ппр и можно считать шум белым в пределах полосы приемника.

Для белого шума полагаем S(ω) = const =S0.
Рассмотрим R(τ) функцию корреляции белого шума..

Слайд 7

При расширении спектра функция R(τ) будет сжиматься по оси абсцисс. Площадь под

При расширении спектра функция R(τ) будет сжиматься по оси абсцисс. Площадь под
кривой R(τ) при этом остается неизменной.
В пределе при ширине спектра случайного процесса стремящегося к бесконечности функция корреляции превращается в δ- функцию.

Так как по определению интегральное представление δ-функции:

Функция корреляции белого шума с точностью до постоянного множителя (πS0) совпадает с δ-функцией.

Белый шум дельта-коррелирован.

Слайд 8

Для линейного четырехполюсника если
K(j) и K(f) – коэффициент передачи флуктуационного напряжения:

Для линейного четырехполюсника если K(j) и K(f) – коэффициент передачи флуктуационного напряжения:
Sвых() = Sвх()|K(j)|2, Gвых(f) = Gвх(f) K(f)2
Средний квадрат выходного напряжения шумов (~ мощности):

Понятие эквивалентной полосы

Прохождение белого шума через линейные четырехполюсники.

Слайд 9

Если входной сигнала белый шум, то
Sвх() = const =S0, Gвх(f) =

Если входной сигнала белый шум, то Sвх() = const =S0, Gвх(f) = const = G0.
const = G0.

Слайд 10

Для коэффициента усиления по мощности

В случае белого шума четырехполюсник характеризуется параметрами:

Для коэффициента усиления по мощности В случае белого шума четырехполюсник характеризуется параметрами:
Пэ и К02 или Кр0.

В этом случае удобно ввести понятие эквивалентной шумовой полосы четырехполюсника:

Слайд 11

Прохождение белого шума через RC -цепочку

K(jω)= Uвых(jω)/Uвх(jω)

Для белого шума Sвх(ω)=

Прохождение белого шума через RC -цепочку K(jω)= Uвых(jω)/Uвх(jω) Для белого шума Sвх(ω)=
S0, Gвх(f)=G0

Рассчитаем эквивалентную шумовую полосу Пэ

Слайд 12

Используя выражение для эквивалентной полосы

Полагая K02=1, получим:

G0 Пэ = G0α/4

G0=2S0

Используя выражение для эквивалентной полосы Полагая K02=1, получим: G0 Пэ = G0α/4 G0=2S0

Слайд 13

Полоса П0,707(по напряжению) = П0,5(по мощности) = П

α = ω

Далее определим ω

Полоса П0,707(по напряжению) = П0,5(по мощности) = П α = ω Далее
= 2π f = 2 π П0,707 = α

Рассчитаем полосу RC-цепи

верхняя граница полосы

Слайд 14

Пример 2. Рассчитать Пэ цепочки состоящей из сопротивления R и L.

Для RC

Пример 2. Рассчитать Пэ цепочки состоящей из сопротивления R и L. Для
цепи:

Отношение полос
В= Пэ/П0,7=/2=1,57

ПэП0,707.

Слайд 15

Тепловые шумы электрических цепей.

Тепловые шумы представляют белый шум вплоть до частот период

Тепловые шумы электрических цепей. Тепловые шумы представляют белый шум вплоть до частот
которых сравним с временем свободного пролета электронов в кристаллической решетке (10-13 сек), т.е. для всех частот радиодиапазона.
В физике доказывается, что в любой системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, энергия теплового движения, приходящаяся на каждую степень свободы (каждую независимую координату системы) равна

где k -постоянная Больцмана (k=1,38 10-23 Дж/К),
Т -абсолютная температура системы в К (градусах Кельвина).

Слайд 16

Энергия, запасенная в конденсаторе :

Полагая, что шумит только сопротивление противоречие снимаем.

Так как

Энергия, запасенная в конденсаторе : Полагая, что шумит только сопротивление противоречие снимаем.
С (реактивный элемент) не может поглощать мощность, то температура R, будет повышаться, а С - уменьшаться.
Это противоречит предположению о термодинамическом равновесии.

Рассмотрим RC –цепь, описываемую единственной координатой, U, и находящуюся в термодинамическом равновесии, т.е.
T=Const в системе.

Слайд 17

Ge = 4kTR,

и

Выражения известны как формула Найквиста.

где Gе -

Ge = 4kTR, и Выражения известны как формула Найквиста. где Gе -
удельный шум шумовой ЭДС eR,

Для RC-цепи Пэ = 1 /4RC следует,

kT/C = Gе Пэ,

и полагая, K0=1

Можно представить шумовую ЭДС- генератором шумового тока

Схемы эквивалентны:

Слайд 18

Согласованная нагрузка: Rг=Rн=R, gг = gн=g

Для рассогласованной нагрузки Рш= Рш ном(1 -

Согласованная нагрузка: Rг=Rн=R, gг = gн=g Для рассогласованной нагрузки Рш= Рш ном(1
2), где - модуль коэффициента отражения от нагрузки.

Мощность шумов, отдаваемая в согласованную нагрузку

Слайд 19

Формула Найквиста есть частный случай закона Планка электромагнитного излучения черного тела.

Однако

Формула Найквиста есть частный случай закона Планка электромагнитного излучения черного тела. Однако
на частотах соответствующих ММ-диапазону и при низких температурах приближение Релея-Джинса не работает.

h = 6,62·10-34Дж, k=1,38 10-23 Дж/К

.

где

Формула Найквиста справедлива на частотах радиодиапазона : hf << kT (приближение Релея-Джинса)

Обозначим (hf / kT) = α →0 и разложим экспоненту в ряд Тейлора

множитель p(f,T) →1 .

α

α

Слайд 20

Расчет шумовой ЭДС сложной цепи

Эквивалентная шумовая температура двухполюсника.

Zэкв

Определяем Zэкв(ω) = Rэкв+ jXэкв

Расчет шумовой ЭДС сложной цепи Эквивалентная шумовая температура двухполюсника. Zэкв Определяем Zэкв(ω)
и выделяем Rэкв реальную часть.

Слайд 21

Далее для сложной цепи, содержащей резисторы и реактивные элементы, расчет интенсивности шумов

Далее для сложной цепи, содержащей резисторы и реактивные элементы, расчет интенсивности шумов
U2ш экв на зажимах (a-b) производится по следующему алгоритму.

А) Температуры всех “n” сопротивлений различны

1) Каждое активное сопротивление заменяется эквивалентным генератором шумовой ЭДС (или тока) и не шумящим сопротивлением.

Слайд 22

2) Для каждого Rn определяется

3) Суммируют средние квадраты всех шумовых ЭДС.

Zвх

Zвых

И

2) Для каждого Rn определяется 3) Суммируют средние квадраты всех шумовых ЭДС.
пересчитываем каждую ЭДС к зажимах (a-b) с учетом коэффициента передачи.

Слайд 23

После подсчета результирующей ЭДС шумов U2ш экв согласно:

Эквивалентная шумовая температура двухполюсника, это

После подсчета результирующей ЭДС шумов U2ш экв согласно: Эквивалентная шумовая температура двухполюсника,
температура активной части эквивалентного сопротивления двухполюсника, на зажимах которого интенсивность шумов равна результирующей ЭДС шумов от всех источников.

Двухполюсник можно характеризовать эквивалентной шумовой температурой двухполюсника.

U2ш экв = 4kTэквRэквПэ,
Где Rэкв - активная часть сопротивления Zэкв.

Слайд 24

Наличие в цепи реактивных элементов дает зависимость Zэкв(ω) от частоты.
Формулой Найквиста пользуются

Наличие в цепи реактивных элементов дает зависимость Zэкв(ω) от частоты. Формулой Найквиста
только в случае если эта зависимость в рассматриваемом диапазоне медленная.

Активная часть схемы (сопротивление Rэкв ) заменяется средним квадратом ЭДС шумов или удельным шумом Ge = 4kTRэкв и не шумящим сопротивление Rэкв.

Тэкв=Т

Б) Температура всех сопротивлений одинаковая.

Находят эквивалентное сопротивление схемы.

Zэкв

Zэкв

Слайд 25

Пример. Определить Tэкв для двух последовательно соединенных сопротивлений R1 и R2, имеющих

Пример. Определить Tэкв для двух последовательно соединенных сопротивлений R1 и R2, имеющих
и разные температуры Т1 и Т2 .

Uшэ2 = 4kПэT1R1+4kПT2R2=

Rэ = (R1+R2)

Пример. Определить Tэкв для двух параллельно соединенных сопротивлений R1 и R2. (самостоятельно)

Tэ Rэ = (T1R1+T2R2)

= 4kПэ(T1R1+T2R2)

=4kПэTэRэ.

Слайд 26

Тэкв характеризует не только тепловые шумы источника, но шумы пространственно распределенных источников.

R1-

Тэкв характеризует не только тепловые шумы источника, но шумы пространственно распределенных источников.
сопротивление источника,
R2 – четырехполюсник потерь.

Тэкв позволяет эквивалентно представить тепловыми шумами нетепловые источники.

Слайд 27

Обозначим: η =R1/(R2+R1) – КПД источника.

Величина обратная σ = 1/η - потери

Обозначим: η =R1/(R2+R1) – КПД источника. Величина обратная σ = 1/η -
в четырехполюснике :

Полученное выражение имеет общий характер и пригодно для оценки эквивалентной температуры системы «источник излучения – среда с потерями».

Тэкв = Т1 η + Т2(1 - η).

Слайд 28

Тэкв = Тг /σ + Тв(1- 1/σ).

Пример
Определить температуру на входе антенны

Тэкв = Тг /σ + Тв(1- 1/σ). Пример Определить температуру на входе
ТА, если между источником с Т1 и антенной, находиться среда с Тср=Т2 и σср .

ТА = Ти /σср + Тср(1 - 1/ σср).

Пример
Ко входу приемника подключен согласованный волновод с температурой Тв и с потерями σ.

На входе волновода генератор Тг и Rг (источник сигнала) . Определить Тэкв источника на входе приемника.

Слайд 29

Шумы приемной антенны.

ZA = RA + jXA.

Приемная антенна может быть представлена

Шумы приемной антенны. ZA = RA + jXA. Приемная антенна может быть
эквивалентным генератором ЭДС ЕА и внутренним сопротивлением

RA = RΣ + Rп, RΣ - сопротивление излучения и Rп – потерь. Rп <

RA является шумящим.

Вклад в ТАΣ определяется пропорционально площади каждого участка.
ТАΣ= Т1/2+ Т2/2

Температура сопротивления излучения RΣ равна Т1.
ТА= Т1

Слайд 30

Пример:
Т1=50о К, Т2=100о К
Половину Т1 и половину Т2 ТАΣ=Т1*1/2+Т2*1/2=75о К
Одна треть Т1

Пример: Т1=50о К, Т2=100о К Половину Т1 и половину Т2 ТАΣ=Т1*1/2+Т2*1/2=75о К
и две трети Т2 ТАΣ=Т1*1/3+Т2*2/3=83,2о К
Две трети Т1 и одна треть Т2 ТАΣ=Т1*2/3+Т2*1/3=66,6о К

Слайд 31

В общем случае температура сопротивления излучения для антенны (из курса «Антенны) :

θ

В общем случае температура сопротивления излучения для антенны (из курса «Антенны) :
и φ - угол места и азимут в сферических координатах.

G(θ, φ)- коэффициент усиления антенны

T(θ, φ) – функция угловых координат, характеризующая распределение яркостной температуры Тя различных источников по сфере, окружающей антенну.

Тя – температура в элементе телесного угла dΏ в направлении (θ, φ) – определяется как температура черного тела, перекрывающего элемент dΏ, при которой его яркость совпадает с наблюдаемой яркостью этого элемента.

Яркость здесь понимают как меру мощности, принимаемой на единицу площади из единичного телесного угла в единице полосы частот. Яркостная температура тела может сильно отличаться от его физической температуры.

Слайд 32

θ= 0 – горизонт,
θ = 900 –в зенит.

На метровых волнах

θ= 0 – горизонт, θ = 900 –в зенит. На метровых волнах
интенсивность космических шумов меняется примерно пропорционально 1/f3, где f - частота.

На ММ и СубММ волнах рост ТА вызывается увеличением поглощения радиоволн в атмосфере.

θ=00

θ=50

θ=100

θ=900 зенит

Шумы
атмосферы

Шумовая температура антенны ТΣА от частоты радиоволн

Слайд 33

С учетом потерь в антенне ТП общая ТэквА или просто ТА

ТА

С учетом потерь в антенне ТП общая ТэквА или просто ТА ТА
= ТΣRΣ /(RΣ + RП)+ ТП RП/(RΣ + RП)

или ТΣ ηА + ТП(1-ηА), где ηA - кпд антенны и фидера
ηA = RΣ /(RΣ + RП), ηA = 1/σА, σА - потери в фидере и антенне.

Согласно выше изложенному:

Слайд 34

Коэффициент шума и эквивалентная шумовая температура четырехполюсника.

Коэффициентом шума четырехполюсника называется величина, показывающая,

Коэффициент шума и эквивалентная шумовая температура четырехполюсника. Коэффициентом шума четырехполюсника называется величина,
во сколько раз уменьшается отношение интенсивности сигнала к интенсивности шума при прохождении сигнала и шума через четырехполюсник.

N = (Pc/Pш)вх /(Pc/Pш)вых, при Тген=Т0
Предполагается, что Рш вх - мощность шумов, поступающая на вход четырехполюсника за счет тепловых шумов внутреннего сопротивления генератора сигнала Rгвых имеющего температуру Т0 = 290К.

Слайд 35

Если ч/п имеет коэффициент передачи мощности Кр, то

(Pc/Pш)вх > (Pc/Pш)вых , N>1,

Если ч/п имеет коэффициент передачи мощности Кр, то (Pc/Pш)вх > (Pc/Pш)вых ,
[разах] N[дБ]=10lgN

Второе определение коэффициента шума
Коэффициент шума есть отношение мощности шумов на выходе четырехполюсника от всех источников к мощности на выходе, вызванной входными шумами от источника с температурой 290 К.

Рс вых = Рс вх Кр.

Кр Рш вх - мощность шумов на выходе, вызванная только входными шумами.

Слайд 36

Эквивалентная шумовая температура четырехполюсника
Тш э. определяется как температура активной части внутреннего

Эквивалентная шумовая температура четырехполюсника Тш э. определяется как температура активной части внутреннего
сопротивления источника сигнала, при которой создаваемая четрехполюсником мощность шума на выходе линейной части приемника равна мощности внутренних шумов приемника.

На выходе фиксируется мощность только собственных шумов ч/п четырехполюсника Рвн.
Температура, при которой RГ создает на выходе мощность, равную мощности собственных шумов ч/п, называется его эквивалентной шумовой температурой Тшэ.

Слайд 37

где Рш вых = Ршвх Кр + Рш вн,

Рш вн/Кр -

где Рш вых = Ршвх Кр + Рш вн, Рш вн/Кр -
мощность внутренних шумов ч/п, приведенная к его входу равная мощности шумов, поступающей на вход ч/п от Rг при температуре Тш э

Относительную роль различных источников шумов удобно оценивать, приводя все источники ко входу четырехполюсника.

Рш вх= kT0 Пэ

Определим связь между Тш э и N:

мощность на входе от того же Rг при Т0= 290 К.

Слайд 38

N = 1 + Тш э/Т0= 1 +Тш э/290 Тш э =

N = 1 + Тш э/Т0= 1 +Тш э/290 Тш э =
290(N - 1) [K].
Понятия N и Тш э справедливы лишь для линейных ч/п.
Для учета всех шумов четырехполюсника достаточно эквивалентную шумовую температуру четырехполюсника увеличить на эквивалентную шумовую температуру источника сигнала (двухполюсника).
Шумовая температурой системы Тс - шумы источника сигнала и приемника, приведенные ко входу приемника:
Тс = Тген + Тпр, Тс = ТА + Тпр.
При согласовании антенны со входом приемника Rвхпр= RА:
Рш.вх.сист=kTcПэ, Рш.вх.сист= k(TА+Tпр)Пэ,
здесь Пэ – эквивалентная шумовая полоса приемника.

Слайд 39

Шумовые соотношения в многокаскадных схемах.

Приемник представим как цепочку n последовательно включенных и

Шумовые соотношения в многокаскадных схемах. Приемник представим как цепочку n последовательно включенных
согласованных между собой ч/п.

Мощность шума на выходе этой цепочки каскадов:
Рвых = Рвых1Кр2Кр3 ...Крn + Рвых2Кр3Кр4 ...Крn + ...+ Рвых(n-1)Крn+ Рвыхn

-мощность шумов i-каскада приведенного, к его входу.

Слайд 40

где Тш э - эквивалентная шумовая температура приемника.
Учитывая, что Тш э =

где Тш э - эквивалентная шумовая температура приемника. Учитывая, что Тш э
Т0 (N-1), Тш эi = Т0(Ni-1) ,

- мощность шумов цепочки каскадов, приведенных ко входу.

Так как Р=kTПэ :

Слайд 41

Пример
Рассмотрим, влияние входного пассивного ч/п с потерями на шумовую температуру приемника. Это

Пример Рассмотрим, влияние входного пассивного ч/п с потерями на шумовую температуру приемника.
может быть отрезок кабеля (волновода) с потерями, смеситель, защитное устройство, модулятор и т.п.

Потери : 1 = L1 = 1/К1.
тогда: Тшс э= Тш э1 + Тш э2 L1 + Тш э3 L1/Кр2 ...

Слайд 42

Предельная и реальная чувствительность приемника

Предельной чувствительностью приемника
называют мощность сигнала на входе Рпред=Рс

Предельная и реальная чувствительность приемника Предельной чувствительностью приемника называют мощность сигнала на
вх, при которой Рсвых= Ршвых на выходе линейной части приемника.
Рпред=kПэ Тш экв пр
Реальной чувствительностью приемника
называют мощность сигнала на входе Рр=Рс вх, при которой Рсвых=  Ршвых на выходе линейной части приемника
Рр =  kПэ Тш экв пр
Величина  - «отношение сигнал-шум» определяется:
видом передаваемых сообщений, видом модуляции, способом обработки сигнала выходе, типом индикатора сигнала и выбирается так, чтобы в заданных реальных условиях прием был возможен с допустимыми ошибками и искажениями сообщений.

Слайд 43

Предельная чувствительность системы антенна-приемник
Рпред системы = kПэ(ТА+ Тш экв пр)
Частный случай

Предельная чувствительность системы антенна-приемник Рпред системы = kПэ(ТА+ Тш экв пр) Частный
ТА = Т0 = 290 К
Рпред системы = kПэ(Т0+ Тш экв пр),
Выразим Тш экв пр = (Nпр-1)*Т0 , тогда

Пример
Рассчитать Nпр, имеющего эквивалентную полосу Пэ. Известна предельная чувствительность Рпред с системы антенна-приемник и температура антенны ТА.
1) Так как Рпред с = kТсПэ, то Тс = Рпред с/kПэ
2) Так как Тс = Тш пр+ТА, то Тш пр= Тс-ТА
3) N = 1+ Тш пр/Т0.

Рпред системы=kПэТ0Nпр.

Слайд 44

Пример
Рассчитать Рпред системы антенна-приемник и полную мощность шума, приведенную ко входу приемника

Пример Рассчитать Рпред системы антенна-приемник и полную мощность шума, приведенную ко входу
(2-2’), если заданы Nпр (или его Т ш пр) и его Пэ, температура антенны ТА, потери в фидере ф и температура фидера Тф.

1) При заданном N : Тш пр = Т0(Nпр-1).
2) ТА и Тф, приведенные ко входу приемника (2:2’):
ТАф = ТА/ф + Тф(1-1/ ф).
3) Температура системы на входе приемника:
Тс(2-2’) = ТАф + Тш пр =ТА/ф + Тф(1-1/ф)+ Т0(Nпр-1).
4) Предельная чувствительность приведенная ко входу приемника: Р = kTс(2-2’) Пэ = kПэ [Т0 (Nпр-1) + ТА/ф + Тф(1-1/ф)].

Слайд 45

Пример
Рассчитать Рпред системы , приведенную ко входу кабеля (1-1’), если заданы Nпр

Пример Рассчитать Рпред системы , приведенную ко входу кабеля (1-1’), если заданы
(или его Тш пр), его Пэ, температура антенны ТА, потери в фидере ф, и его Тф.

1) При заданном N : Тш пр = Т0(Nпр-1).
2) Тш пр приведенная ко входу кабеля (1-1’)
Тш пр(1-1’) = Тш фид+ Тш пр фид=Тш фид+ Т0(Nпр-1) фид .
3) Температура системы приведенная к (1-1’):
Тс(1-1’) = ТА + Тш пр(1-1’) = ТА + Тш фид + Т0(Nпр-1)фид
4) Предельная чувствительность приведенная ко входу кабеля:
Р = kTс(1-1’)Пэ = kПэ[ ТА + Тш фид + Т0(Nпр-1)фид].

Слайд 46

1) Пэ – позволяет характеризовать 4-х полюсник, на вход которого подан «белый

1) Пэ – позволяет характеризовать 4-х полюсник, на вход которого подан «белый
шум» с удельной плотностью G0 (S0) как:

ВЫВОДЫ

Ge = 4kTR,

2) Тепловые шумы активной части сопротивления - формула Найквиста:

3) Мощность шумов отдаваемая в согласованную нагрузку:

Слайд 47

это температура активной части эквивалентного сопротивления двухполюсника, на зажимах которого интенсивность шумов

это температура активной части эквивалентного сопротивления двухполюсника, на зажимах которого интенсивность шумов
равна результирующей ЭДС шумов от всех источников.

4) Эквивалентная шумовая температура двухполюсника

5) Эквивалентная шумовая температура источника Т1 на выходе 4-х полюсника с температурой Т2 и потерями σ:

выражение имеет общий характер и пригодно для оценки Тэкв системы «источник излучения – среда с потерями».

Для антенны с учетом потерь в атмосфере

Слайд 48

7) Эквивалентная шумовая температура 4-х полюсника - Тш экв, приведенная к его

7) Эквивалентная шумовая температура 4-х полюсника - Тш экв, приведенная к его
входу.

Первое определение

Рш вых – от всех источников и внутренних и внешних, т.е. реального 4-х полюсника

Второе определение

Рш вых ид – только от Rген входного источника, т.е. идеального 4-х полюсника

6) Коэффициент (фактор) шума четырехполюсника

Температура, при которой RГ создает на выходе мощность, равную мощности собственных шумов ч/п, называется его эквивалентной шумовой температурой Тш экв.

Всегда N [раз]>1

Слайд 49

N = 1 + Тш э/Т0= 1 +Тш э/290 Тш э =

N = 1 + Тш э/Т0= 1 +Тш э/290 Тш э =
290(N - 1) [K].
Понятия N и Тш э справедливы лишь для линейных ч/п.

8) Связь коэффициента шума N и эквивалентной шумовой температуры Тш экв 4-х полюсника .

9) Эквивалентная шумовая температура системы антенна-приемник Тс .

Тс = Тген + Тпр, Тс = ТА + Тпр.

При Rвхпр= RА: Рш.вх.сист=kTcПэ, Рш.вх.сист= k(TА+Tпр)Пэ,
Пэ – эквивалентная шумовая полоса приемника.

Слайд 50

10) Соотношения в многокаскадной схеме

Если первый каскад обладает потерями (кабель, смеситель, модулятор

10) Соотношения в многокаскадной схеме Если первый каскад обладает потерями (кабель, смеситель,
и пр.) : 1 = L1 = 1/К1, то :
Тшс э= Тш э1 + Тш э2 L1 + Тш э3 L1/Кр2 ...

11) Предельная и реальная чувствительности

Рпред=kПэ Тш экв пр
Рр =  kПэ Тш экв пр , где  = Рсвых /Ршвых на выходе линейной части приемника

Слайд 51

Дробовые шумы.

Дробовые шумы следствие дискретности электрического тока.
Дробовый шум является белым до

Дробовые шумы. Дробовые шумы следствие дискретности электрического тока. Дробовый шум является белым
частот, где  - время пролета промежутка катод-анод или потенциального барьера.
Средний квадрат шумового тока определяется формулой Шотки:
I2др = 2qI0Пэ = G(f)Пэ, где
I0 - постоянная составляющая тока диода,
q - заряд электрона.
G(f) – спектральная плотность дробового шума

G0 = 2qI0,

Для частот ω>1/ спектральная плотность G дробового шума падает

Измерение шумов , шумы диодов и транзисторов .

Слайд 52

Измерительные шумовые генераторы

Генераторы шума (ГШ) на диодах
Диод может быть использован как эталонный

Измерительные шумовые генераторы Генераторы шума (ГШ) на диодах Диод может быть использован
источник шумового сигнала.

Если ток диода I0 регулировать, то на выходе ГШ мощность шумов будет меняться пропорционально току I0 .
Измерение N производиться методом удвоения мощности на выходе.

Отдаваемая в согласованную нагрузку мощность

Слайд 53

1. При выключенном ГШ:
Рш вых1 = kТ0 ПэКр + Рш внур.

Ргш =

1. При выключенном ГШ: Рш вых1 = kТ0 ПэКр + Рш внур.
RДqI0 Пэ/2.

2. Включают ГШ и увеличивают ток (контроль на приборе А) до тех пор пока на выходе (контроль на приборе Р) не станет:
Рш вых2 = 2 Рш вых1

2 Рш вых1 = Рш вых1 + РгшКр

=

Рш вых1= kТ0 ПэКр + Рш внур

Слайд 54

N=AI0

ГШ на диодах работают только до 500 МГц . Для СВЧ нужно:
1)

N=AI0 ГШ на диодах работают только до 500 МГц . Для СВЧ
уменьшить время пролета τ электронов или расстояние А-К,
2) уменьшить паразитные Свых и индуктивность выводов Lвыв.

Слайд 55

Шумовые лавинно-пролетные диоды (ЛПД)
На СВЧ в качестве шумовых генераторов получили распространение п/п

Шумовые лавинно-пролетные диоды (ЛПД) На СВЧ в качестве шумовых генераторов получили распространение
ЛПД, генерирующие шум широкой полосе.
У ЛПД доходит Тэкв = 106 К.
Достоинства: достаточно малое напряжении питания для генерации шумов.
Недостатки: стабильность хуже и сильно зависит от диода к диоду.

Слайд 56

Газоразрядные шумовые трубки
На СМ и ММ волнах используются газоразрядные генераторы шума или

Газоразрядные шумовые трубки На СМ и ММ волнах используются газоразрядные генераторы шума
так называемые шумовые трубки.

Горящая плазма представляет горячее сопротивление.
Наклон трубки обеспечивает согласование с волноводной или
коаксиальной линией.

Тя = 18 000...20 000 К или 60...70Т0 вплоть до коротких ММ.

При выключении трубка прозрачна СВЧ.

Слайд 57

Тгш = Ттруб/атт + Т0(1-1/атт).

Все описанные генераторы шума нуждаются в абсолютной

Тгш = Ттруб/атт + Т0(1-1/атт). Все описанные генераторы шума нуждаются в абсолютной
калибровке.

Методика определения N коэффициента шума проводится методом удвоения мощности на выходе .

1. При выключенном ГШ: Рш вых1 = kТ0 ПэКр + Рш внур.

2. При включении ГШ: 2 Рш вых1= (kТ0 ПэКр + Рш внур) +РгшКр

=

Слайд 58

Первичные шумовые эталоны.
В качестве первичных шумовых эталонов используют СН «черные тела»,

Первичные шумовые эталоны. В качестве первичных шумовых эталонов используют СН «черные тела»,
находящиеся при точно известной физической температуре.
Метод двух нагрузок.

Т1=Т0 =290 К, Т2=Тазота=77,8 К поочередно подключаются к входу ч/п.
Ршвых1 = kПэ(Т1+ Тшэ)Kp,
Ршвых2 = kПэ(Т2 + Тшэ)Kp

Слайд 59

Измерение коэффициента шума N с помощью ГСС

Для измерения N с помощью ГСС,

Измерение коэффициента шума N с помощью ГСС Для измерения N с помощью
используется также метод удвоения и схема похожа на измерения с помощью ГШ

Однако характер подаваемого сигнала не является шумовым и для определения N требуется дополнительно снять АЧХ исследуемого ч/п и по ней предварительно рассчитать Пэ.

При удвоении мощности на выходе: Рш вых2 = 2 Рш вых1

Слайд 60

При этом от ГСС на вход согласованного с ним ч/п поступает

При этом от ГСС на вход согласованного с ним ч/п поступает

Слайд 61

Автоматические измерители шума
Широкое применение получили автоматические (ИКШ) измерители коэффициента шума N,

Автоматические измерители шума Широкое применение получили автоматические (ИКШ) измерители коэффициента шума N,
Тш экв и КСВ.
В них используют принцип быстрого переключения (модуляция) на входе измеряемого прибора мощности генератора шума.
Отсчеты снимаемые на выходе обрабатываются МП устройством и преобразуются для воспроизведения на индикаторном устройстве.
Современные анализаторы спектра (АС) поставляются с дополнительными опциями измерения Кус и Nш.
АС фирмы Agilent типа Е4402 измеряет Nш вплоть до 26 ГГц.
Прибор в своем составе имеет калиброванный ГШ на п/п диоде ЛПД.

Слайд 62

Другие механизмы шумов

Низкочастотные шумы присуще всем приборам.
НЧ-шумы называют: фликкер шумами, 1/f

Другие механизмы шумов Низкочастотные шумы присуще всем приборам. НЧ-шумы называют: фликкер шумами,
–шумами, избыточными, поверхностными шумами
Проявляются с понижением частоты.
Экспериментально хорошо наблюдаются в усилителях ПТ в качестве дрейфа нуля. Спектральная плотность шума вплоть до сверхнизких частот подчиняется закону:

Площадь под кривой увеличивается при уменьшении частоты и при f →0 мощность шума стремиться к бесконечности.

, где n = 0,9...1,5.

Слайд 63

В п/п приборах присутствуют механизмы шумов:
тепловой, дробовый, различные типы низкочастотных шумов.

В п/п приборах присутствуют механизмы шумов: тепловой, дробовый, различные типы низкочастотных шумов.

Низкочастотными шумами на частотах > 10 кГц можно пренебречь.

Шумы п/п приборов.

На СВЧ основными источниками шумов в нем являются:
дробовые шумы перехода и
тепловые шумы сопротивления потерь.

Шумы диода.
Диод представляет собой (p-n) переход и его эквивалентная схема:

Слайд 64

В рабочей точке для малых изменений i определим gd = 1/Rd:

Определим Тэкв,

В рабочей точке для малых изменений i определим gd = 1/Rd: Определим
учитывая только дробовые шумы (Rs = 0) .

Gi = 2qid

η =1,05...1,5 коэффициент идеальности ВАХ диода.

для is<id= is exp(αu),

gd = did/du = α is exp(α u) = α id,

id = gd / α = gd η kT0 /q

Gi = 2 gd η kT0

Слайд 65

Заменим источник дробовых шумов за счет протекания тока id через проводимость

Заменим источник дробовых шумов за счет протекания тока id через проводимость gd
gd , эквивалентным тепловым шумом, т.е. приравняем к спектральной плотности теплового шума gd при Тэкв :
Gi = 2 gd η kT0 = Gт = 4kTэкв gd
2gd η kT0 = 4kTэкв gd
Tэкв = η T0/2. Tэкв< T0
Тэкв это эквивалентна температура проводимости gd.
При подключении диода на вход приемника Tш пр уменьшается.
Поэтому диодом при комнатной температуре можно пользоваться как охлажденной нагрузкой для оценки и контроля шумовой температуры приемника.

Слайд 66

Шумы биполярных транзисторов БТ.
Расчет шумов БТ учитывает тепловые, дробовые и избыточные.
Интенсивность тока

Шумы биполярных транзисторов БТ. Расчет шумов БТ учитывает тепловые, дробовые и избыточные.
дробовых шумов:
Интенсивность ЭДС тепловых шумов:
Интенсивность тока НЧ шумов(поверхностных, избыточных и пр.) : где А - коэффициент, n = 0,9...1,5.
Упрощенная эквивалентная схема транзистора.

Дробовые шумы результат тока между электродами.
НЧ-шумы подключены параллельно ЭБ и БК- переходам
Тепловые шумы учитываем только в сопротивлении базы (rб>rэ).

Слайд 67

1 - , генератор тепловых шумов шумов Rг
2 - , тепловые шумы

1 - , генератор тепловых шумов шумов Rг 2 - , тепловые

3 - , дробовые и НЧ p/n перехода Э-Б
4 - , дробовые и нч p/n перехода Б-К
5 - , дробовые шумы тока коллектора
Здесь и ниже полагаем Пэ<Определим N транзистора в соответствии с выражением:

Слайд 68

Pш вых - мощность всех источников шумов в Rн.
Рш вых ид -

Pш вых - мощность всех источников шумов в Rн. Рш вых ид
мощность шумов в нагрузке от Е2шг.

I21 - протекающей через Rн от входного источника Е2ш.г.
I2m - интенсивность шумовых компонент тока Iк от других источников.
При расчете составляющих шумового тока на выходе от отдельных источников надо учитывать действие генератора Iэ.

Если составляющую Pш вн в нагрузке от каждого m-го генератора шума можно представить в виде Рш вн m =I2m Rн, то

Слайд 69

Для определения от первого генератора Е2шг тока I21 на нагрузке эквивалентная схема

Для определения от первого генератора Е2шг тока I21 на нагрузке эквивалентная схема
изменится.

При пересчете одного из генераторов в нагрузку: все остальные генераторы шумов замыкаются (генераторы напряжения) или размыкаются (генераторы тока)

Слайд 70

В итоге для определения I21 эквивалентная схема принимает вид:

2) Закоротим ЭДС Ешг,

В итоге для определения I21 эквивалентная схема принимает вид: 2) Закоротим ЭДС
и определим:

где  - коэффициент распределения тока, показывающий, какая часть тока Iэ ответвляется в цепь эмиттера.

Для расчета выходного тока от генераторов Ешг и Iэ воспользуемся принципом суперпозиции.

1) Разомкнем цепь генератора Iэ. Тогда составляющая тока Iэ от генератора Ешг:

Слайд 71

Из последнего уравнения:

Ток Iэ, полностью протекает через нагрузку и представляет искомую составляющую

Из последнего уравнения: Ток Iэ, полностью протекает через нагрузку и представляет искомую
I1:

Аналогично определяются и составляющие I22…I24.
Ток генератора I2шэк полностью протекает через нагрузку, не ответвляясь в цепь эмиттера и поэтому: I25 = I2шэк.

Суммируя эти составляющие с учетом выражений для интенсивностей шумовых генераторов I2m, входящих в схему эквивалентную схему транзистора и деля полученную сумму на I21 можно найти коэффициент шума.

Слайд 72

Чтобы избежать громоздкого окончательного выражения (подробно вывод в Степаненко), обычно учитывают следующие

Чтобы избежать громоздкого окончательного выражения (подробно вывод в Степаненко), обычно учитывают следующие
соотношения между величинами:
1) rэ << (Rг+rб), т.е.   1.
2) α 1, кроме двучлена (1- α), где значение α надо учитывать,
3) (1- α )2 << (1- α).

Здесь А=Ак+Аэ, φT = kT0/q = 0,025 B -температурный потенциал.
Найденная величина Nш мало зависит от включения транзистора.
Nш имеет минимум при некоторой оптимальной величине Rг сигналов.
Из условия dN/dRг = 0
можно найти:

С учетом приближений:

Слайд 73

При условии: Iк0 + A/2qf << (1-)Iэ с учетом rэ= φT/Iэ:

Rвх

При условии: Iк0 + A/2qf Rвх = rб + rэ/(1-). Выражения для
= rб + rэ/(1-).

Выражения для N показывает, что в области НЧ N возрастает за счет поверхностных шумов (слагаемое А/2qf), а области ВЧ - за счет слагаемого (1-)Iэ, т.к.  уменьшается с ростом частоты.

пример

Это сопротивление не совпадает с Rвх транзистора:

Слайд 74

Для уменьшения N :
увеличивать коэффициент усиления транзистора: уменьшается слагаемое (1-)Iэ.

Для уменьшения N : увеличивать коэффициент усиления транзистора: уменьшается слагаемое (1-)Iэ. уменьшать
уменьшать rб.
Малошумящие БТ являются маломощными приборами. Типичный режим малошумящих БТ: UK = 5...10 B, Iэ = 1...2 мА.

Значения N и Кр в функции частоты лучших образцов малошумящих биполярных транзисторов

Суммарный коэффициент шума усилителя в значительной степени зависит от коэффициента усиления, поэтому для транзисторов вводят меру шума:
 = (N -1)Kp/(Kp-1).

Слайд 75

Шумы полевых транзисторов
Шумы полевых транзисторов рассчитываются по аналогичной методике, используя эквивалентную схему

Шумы полевых транзисторов Шумы полевых транзисторов рассчитываются по аналогичной методике, используя эквивалентную
замещения рассматриваемого транзистора.
ПТ не содержат p-n переходов и дробовые шумы у них - малы.
Основные источники:
Тепловые шумы канала и сопротивление п/п вблизи С и И,
Шумы генерации-рекомбинации носителей в канале,
Избыточные шумы 1/f связанные с дефектами кристалла п/п.
Наилучшими считаются ПТШ с затвором на барьере Шотки (м/п).
Малые размеры структуры ПТШ, высокая подвижность носителей в GaAs определяют малые значения емкости и активных R, что определят низкий уровень тепловых шумов.

Слайд 76

Низкочастотные шумы проявляются на относительно низких частотах и могут быть уменьшены выбором

Низкочастотные шумы проявляются на относительно низких частотах и могут быть уменьшены выбором
режима работы.
При проектировании современных ПТШ для уменьшения шумов используют:
повышение подвижности электронов,
уменьшение шумов генерации-рекомбинации в гетероструктурных (многослойных) полупроводниках.

Созданные на этой основе транзисторы с высокой подвижность электронов (в английской транскрипции HEMТ-high electron mobility transistors) позволяют разрабатывать рекордные по уровню шума усилители на частотах до 150 ГГц. Интенсивное развитие этого направления продолжается.

Слайд 77

В отличие от БТ, так как у ПТШ преобладают шумы теплового происхождения,

В отличие от БТ, так как у ПТШ преобладают шумы теплового происхождения,
то особенно эффективным оказывается охлаждение, позволяющее (в 3...6 раз) снизить его Тш.
Охлаждение положительно сказывается и на коэффициенте усиления транзистора, поскольку у GaAs при охлаждении повышается подвижность электронов и их дрейфовая скорость

Слайд 78

ВЫВОДЫ

3) Генераторы шумов строят на основе генерации дробовых и тепловых шумов

1) Шумы

ВЫВОДЫ 3) Генераторы шумов строят на основе генерации дробовых и тепловых шумов
электронных приборов: тепловые, дробовые, низкочастотные

2) Дробовые шумы оцениваются согласно формулы Шотки: I2др = 2qI0Пэ = G(f)Пэ,

4) Измерения шумов ч/п возможно:

- измерителями коэффициента шума N с помощью ГШ,

- с помощью использования тепловых эталонов,

- генераторами стандартных сигналов ГСС,

- автоматическими измерителями шумов и спектральными анализаторов с дополнительными функциями измерения коэффициентов усиления и шума,

Имя файла: Шумы-радиотехнических-цепей.pptx
Количество просмотров: 30
Количество скачиваний: 0