Пауль Хоровиц - Искусство схемотехники. Том 2 [Изд.4-е]

От многих из этих источников шума можно отделаться путем тщательного экранирования и фильтрации, как будет сказано в этой главе ниже. Иногда приходится принимать совершенно драконовские меры, включая монолитные каменные столы (для виброизоляции), комнаты с постоянной температурой, звукопоглощающие камеры и комнаты с электрической экранировкой.

Перед тем как начать детальное рассмотрение шума усилителя и проектирования малошумящих схем, нам нужно определить несколько терминов, которые часто употребляются для описания шумовых характеристик усилителей. Речь идет о количественных показателях напряжений шумов, измеренных в одной и той же точке схемы. Обычно напряжения шумов приводятся ко входу усилителя (хотя измерения обычно производятся на выходе), т. е. шумы источника сигнала и усилителя описываются через эквивалентные напряжения шумов на входе , которые могли бы дать на выходе наблюдаемый шум. Это имеет смысл тогда, когда вы хотите оценить относительный шум, добавленный усилителем к шуму источника сигнала, независимо от коэффициента усиления; это вполне практично, так как основной шум усилителя обычно порождается входным каскадом. Если не оговорено противное, напряжение шума всегда будет отнесено ко входу.

Плотность мощности шума и ширина полосы.При рассмотрении теплового и дробового шумов было показано, что величина измеренного напряжения шума зависит и от полосы частот измерения (чем шире смотришь, тем больше видишь), и от переменных параметров ( R и I ) самого источника шума. Поэтому естественно говорить о среднеквадратичной плотности напряжения шума v ш :

U ш. эфф= v шB 1/2= (4k TR) 1/2 B 1/2

где U ш. эфф — среднеквадратичное напряжение шума, измеренное в полосе ширины В . У источника белого шума v ш не зависит от частоты, а розовый шум, например, имеет спад v ш в 3 дБ/октава. Часто используется среднее значение квадрата плотности шума v 2 ш . Поскольку v ш всегда относится к среднеквадратичному значению, а v 2 ш — к среднему значению квадрата, для получения v 2 ш достаточно возвести в квадрат v ш . Это звучит просто (и по сути просто), но мы хотим быть уверены, что вы не запутаетесь.

Заметьте, что величины В и В 1/2являются множителями для перехода от величин, обозначаемых строчными буквами, к величинам, обозначаемым прописными буквами. Например, для теплового шума резистора R имеем

v шRэфф= (4k TR) 1/2B/Гц 1/2,

v 2 шR = 4k TRB 2/Гц,

U ш. эфф= v шRB 1/2= (4k TRB) 1/2B,

U 2 ш. эфф = v 2 шRB =4k TRBB 2

В данных изготовителя даются графики v ш или v 2 ш , соответственно в единицах «нановольт на корень из герца» или «вольт в квадрате на герц». Величины е ш и i ш , которые скоро будут введены, используются точно так же.

При сложении двух некоррелированных сигналов (два шума или сигнал и шум) складываются квадраты амплитуд: v= ( ν 2 c + v 2 ш ) 1/2, где v— эффективное (среднеквадратичное) значение сигнала, полученного сложением сигнала с эффективным значением v c и шума с эффективным значением v ш . Эффективные значения нельзя суммировать!

Отношение сигнал/шум.Отношение сигнал/шум (С/Ш) определяется по формуле

С/Ш= 10·lg( U 2 с / U 2 ш ) дБ,

где для напряжений указаны эффективные значения, а ширина полосы и некоторая центральная полоса оговорены, т. е. это есть отношение (в децибелах) эффективного напряжения полезного сигнала к эффективному напряжению имеющегося шума. «Сигнал» может быть синусоидальным, или несущей частотой с модуляцией, или даже шумоподобным сигналом. Если сигнал имеет узкополосный спектр, то существенно, в какой полосе измеряется отношение С/Ш, так как оно падает, если полоса измерений становится шире полосы, содержащей спектр сигнала: с расширением полосы энергия шума увеличивается, а энергия сигнала остается постоянной.

Коэффициент шума.Любой реальный источник сигнала или измерительный прибор генерирует шум из-за наличия теплового шума во внутреннем сопротивлении источника (реальная часть комплексного полного сопротивления). Конечно, могут быть и дополнительные источники шума от других причин. Коэффициент шума (КШ) усилителя — это просто отношение в децибелах выходного сигнала реального усилителя к выходному сигналу «совершенного» (бесшумного) усилителя с тем же коэффициентом усиления; входным сигналом в обоих случаях является тепловой шум подключенного ко входу усилителя резистора: