Малошумящие входные каскады
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЬНЫХ КАСКАДОВ
При необходимости усиления слабых сигналов, близких по уровню к электрическим флуктуациям теплового происхождения, требуются специальные меры для достижения достаточно малого значения коэффициента шума F усилителя или большого отношения сигнал/шум на его выходе. Обе величины связаны между собой простым соотношением
,
где E2г и e2ш.г – соответственно квадраты действующих значений э.д.с. полезного сигнала и шума, развиваемых источником усиливаемого сигнала, а N=U2с.вых/U2ш.вых – квадрат отношения напряжений сигнала и шума на выходе усилителя.
Коэффициент шума многокаскадного усилителя
,
где Fi и KPi – соответственно коэффициент шума и коэффициент усиления по мощности i-го каскада. При достаточном значении KP1 >> F2/F1, что обычно стараются выполнять, коэффициент шума всего усилителя определяется только входным каскадом (Fобщ ≈ F1). Поэтому специальные меры по ограничению собственного шума усилителя распространяются чаще всего на один входной каскад.
Для достижения минимального коэффициента шума УК применяют совокупность мер:
- используют низкошумящий тип УП,
- выбирают соответствующую схему каскада и начальную рабочую точку (РТ),
- выполняют условия согласования по шумам во входной цепи.
При относительно высокоомном источнике сигнала (Rг порядка десятков кОм и выше) преимущества остаются за полевыми транзисторами с управляющим p-n-переходом с высокой крутизной усиления. При Rг около 1 кОм и ниже малый коэффициент шума позволяет получить низкошумящие БТ. ПТ с изолированным затвором в настоящее время значительно уступают по своим шумовым свойствам других УП, и строить на них малошумящие каскады избегают.
Коэффициент шума каскада с БТ практически не зависит от способа включения транзистора. Но схема с ОЭ обеспечивает максимальное усиление по мощности и, следовательно, в наибольшей мере ослабляется влияние шумов следующих каскадов. Начальную рабочую точку транзистора в малошумящем каскаде выбирают при малых значениях напряжения на коллекторном p-n-переходе (1–2 В), что ограничивает шум, создаваемый обратным током IКБ0, и предотвращает флуктуации, вызываемые предпробойными явлениями. Существует оптимальный ток коллектора в рабочей точке (РТ), зависящий от эквивалентного генератора усиливаемого сигнала Rг.э:
,
где значения параметров S, gвх и gш транзистора соответствуют рабочей точке при произвольной величине Iк=Iкном; Iэб0 – обратный ток эмиттера, мА; gш – эквивалентная шумовая проводимость, создающая шумовой ток Iш в эквивалентной схеме на рис. 7.*:
.
Величину gш можно найти экспериментально, измерив напряжение шума на выходе каскада с данным транзистором при холостом ходе (Uш.х.х) и коротком замыкании (Uш.к.з) во входной цепи:
,
где K – коэффициент усиления по напряжению испытательного каскада; ∆f – полоса частот, в которой измерены напряжения шумов.
Согласование сопротивлений во входной цкпи по шумам происходит выполнении условия
,
Которое отличается от условия согласования по мощности и требует меньшего значения Rг.э, т.к. Uш.к.з< Uш.х.х.
При заданной величине Rг выполнить условие (7-*) удается применением трансформаторной связи с источником сигнала. Однако коэффициента шума F к рассогласованию в районе оптимума слабая, так что отличие Rг.э от оптимального значения в 2-3 раза обычно увеличивает F не более чем на 1-2 дБ.
Отношение Uш.к.з/Uш.х.х.зависитот частоты, в районе которой оно измерено, и возрастает с повышением частоты, стремясь к 1 на частотах порядка fh21б. Поэтому оптимальная величина Rг.э оказывается частотно-зависимой и начиная с частоты порядка fh21э уменьшается, стремясь к значению, оптимальному для согласования по мощности (рис. 7.*). В районе частоты fh21э также становится существенной реактивная составляющая bвх входной проводимости транзистора и строгое условие согласования по шумам требует ее компенсации, причем
(7-*)
где Rг.э.опт выражается прежней формулой (7-*).
Рис. 7.1. Зависимость оптимального по шумам сопротивления источника сигнала для транзистора типа ГТ313Б (Fт=800 МГц; h21э=150; Iэ.0=5 мА).
При одновременном выполнении условий (7-*) и (7-*) или (7-*) достигается минимальный коэффициент шума
. (7-*)
Более точные выражения, а также вопросы согласования с помощью реактивных четырехполюсников рассмотрены в [ ], шумовые свойства усилителей с полевыми транзисторами освещены в [ , ].