Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Регулировка усиления

1.1 Общие сведения о регулировках усиления

В усилительных устройствах часто необходимо регулировать коэффициент усиления. Регулировка усиления применяется для следующих целей: поддержания усиления усилителя неизменным при замене усиливательных элементов, их старении, изменении питающих напряжений; изменения уровня выходного сигнала или поддержания его постоянства; предохранения усилителя от перегрузки при слишком высоком уровне входного сигнала.

Усиление можно регулировать плавно или скачками; в первом случае регулировку называют плавной, во втором - ступенчатой. В усилителях в большинстве случаев применяют плавную регулировку усиления.

Ступенчатая регулировка конструктивно сложнее, так как требует применения специального переключателя и большего количества деталей. Поэтому ступенчатую регулировку применяют, когда необходимо изменить коэффициент усиления усилителя в строго определенное число раз (в измерительной аппаратуре).

Количественным параметром устройства или схемы регулирования является диапазон (глубина) регулирования

; D_p дб=20lgD_p.

Регулировка бывает ручная и автоматическая (АРУ). В радиоэлектронной аппаратуре встречаются следующие регулировки: регулировка усиления изменением уровня u_bx усилителя; регулировка изменением режима работы усилительного элемента; регулировка изменением глубины обратной связи.

1.2 Регулировка усиления изменением входного сигнала

Для ручной регулировки усиления применяются переменные сопротивления - потенциометры. Потенциометры как регуляторы усиления могут быть включены в качестве сопротивления цепи межкаскадной связи, сопротивления нагрузки, сопротивления в цепи обратной связи. Основными достоинствами плавной потенциометрической регулировки являются ее простота и возможность глубокого регулирования усиления. К ее недостаткам следует отнести изменение частотно-фазовой и переходной характеристик при перемене положения регулятора и появление на выходе усилителя шумов при вращении регулятора, вызываемых непостоянством контактного сопротивления ползунка. Поэтому ее не следует вводить в цепи с минимальным напряжением сигнала ниже сотен микровольт. Основное требование при включении потенциометров в схему усилителя заключается в том, чтобы регулятор не влиял на режим работы усилителя.

Во входной цепи предварительного усилителя включают потенциометр параллельно или последовательно. При этом необходимо учесть влияние Rp на АЧХ.

Самые разнообразные включения потенциометров можно осуществлять в усилителях на интегральных микросхемах, рис.1.

Рис. 1. Регулятор усиления на основе ОУ

Преимуществом такой схемы включения потенциометра R3 является то, что он включен на выходе, что обеспечивает малую чувствительность к шуму R3

При таком включении

;

1.3 Тонкомпенсирующие регуляторы усиления

Обычный потенциометр одинаково ослабляет напряжение всех частот. Однако слуховой орган человека, ухо, имеет такую особенность, что с уменьшением громкости снижается восприятие высших и особенно низких частот. Поэтому в высококачественных приемниках для равномерного восприятия всех частот применяются тонкомпенсирующие регуляторы, рис.2,а.

Рис.2. Тонкомпенсирующие регуляторы усиления

Тонкомпенсирующие регуляторы выполнены так, что R'R'', поэтому, когда снимается большое выходное напряжение (движок вверху), элементы R и С почти не влияют. С уменьшением U_вых (движок внизу) сопротивление, с которого снимается Uвых, будет определяться параллельным соединением цепочек RC и R". Для низких частот оно больше, чем для средних и высоких, поэтому будем иметь подъем частотной характеристики в области низких частот.

Другая схема компенсированного регулятора имеет вид, приведенный на рис.2,б.

Выходное напряжение в этой схеме определяется суммой напряжений U_R1 и выходного напряжения двухзвенного низкочастотного фильтра U_ф. Когда движок вверху, U_вых снимается с полного сопротивления R1, поэтому Uвых определяется только этим напряжением, так как U_ф U_R1. При опускании движка общее выходное напряжение определяется суммой двух напряжений U_вых=U_ф +U_R1. Следовательно, при слабых сигналах будет иметь место подъем частотной характеристики в области низких частот. Потенциометрические регуляторы при правильной схеме включения не вносят искажений. Потенциометрическая регулировка позволяет получить диапазон регулирования в пределах 40-60 дБ.

1.4 Регулировка усиления изминением режима работы усилительного элемента

Принцип такой регулировки основан на изменении кооэфициента усиления в зависимости от режима работы усилительного элемента. Потенциометры включаются в цепь смещения.

В транзисторных усилителях регулировку усиления производят изминением тока в цепи эмиттера. Для того чтобы изменить I_э, необходимо изменить U_эб, т.е. напряжение смещения, рис.3.

Рис.3. Регулировка усиления изменением режима работы

При малых токах можно получить глубокую регулировку, однако, при малых токах уменьшааается эффективность стабилизации. С увеличением тока до I-2 мА начинает сказываться уменьшение потенциала U_к0, т.к.

U_к0=E-I_k0R_н

При больших токах U_к становится настолько малым, что снижаются усилительные свойства.

Все схемы регулировки изменением режима работы УЭ основаны на использовании нелинейных характеристик усилительного элемента. Поэтому такие каскады имеют большой коэффициент нелинейных искажений. В целях уменьшения К_г каскады с такой регулировкой применяются на входе, где усиливаемый сигнал незначителен.

1.5 Регулировка изменением глубины обратной связи

Регулировка усиления основана на изменении глубины отрицательной обратной связи, введенной в схему усилителя в целях регулировки К. Отрицательная обратная связь, как известно, уменьшает К, но улучшает многие другие параметры. Поэтому такая регулировка свободна от тех недостатков, которые были отмечены выше. Для изменения глубины обратной связи в цепь обратной связи вводят потенциометр. При этом его надо включать так, чтобы не изменять режим работы, рис.4.

Рис.4. Регулировка усиления изменением глубины обратной связи

При перемещении движка потенциометра меняется номинал резистора R_ос, следовательно, меняется коэффициент передачи обратной связи и коэффициент усиления данного усилителя.

2. Внутренние шумы

2.1 Общие сведения о внутренних шумах

Минимальное значение усиливаемого сигнала, т.е. чувствительность усилительного устройства, ограничивается внутренними флуктуациями, неизбежно существующими в электрических цепях и компонентах усилительных устройств. Вместо термина флуктуация, что наиболее точно отражает физику явлений, в радиоэлектронике обычно применяют термин "шумы". Это вызвано акустическим эффектом в радиоприемных и усилительных устройствах, предназначенных для воспроизведения звуковых колебаний, так как флуктуационная помеха в громкоговорителе воспроизводится в виде шума.

Флуктуации напряжений и токов в электрических цепях заложены глубоко в природе вещей и являются результатом дискретного строения вещества. Так, например, хаотическое тепловое движение свободных электронов в любом проводнике вызывает случайную разность потенциалов на его концах. Этот вид флуктуации называется тепловым шумом. Причиной собственных шумов электронных ламп и полупроводниковых приборов является дискретная природа носителей заряда. Эмиссия электронов накаленным катодом представляет собой случайный процесс, так как электроны из катода вылетают не в равные промежутки времени, а совершенно нерегулярно. Поэтому анодный ток лампы имеет беспорядочные колебания. Эти флуктуации анодного тока создают соответствующее шумовое напряжение (напряжение помехи) на нагрузке. Такой вид флуктуации называют дробовым шумом, или дробовым эффектом.

Экспериментально доказано, что шум пентода намного больше, чем шум триода. В многосеточных лампах действует еще один источник шума - шум токораспределения. Этот вид шума объясняется случайным характером распределения электронов между анодом и экранной сеткой. На низких частотах шумы электронных ламп возрастают за счет фликер-эффекта или эффекта мерцания. Эффект мерцания вызван медленными случайными изменениями эмиссионных свойств катода.

В полупроводниковых приборах также имеют место дробовые шумы за счет хаотических процессов генерации и рекомбинации.

Рассмотренные причины внутренних шумов показывают, что все виды флуктуационных помех представляют собой случайный процесс или случайную функцию времени.

2.2 Основные характеристики внутренних шумов

При изучении случайных процессов было бы целесообразно воспользоваться спектральными представлениями. Но спектральные характеристики их оказываются также случайными функциями. Для стационарных процессов можно ввести усредненные спектральные характеристики, имеющие энергетический смысл. Для них вводят понятие спектральной плотности мощности.

Спектральная плотность мощности G(щ) в интервале щ определяется как отношение мощности процесса, которая приходится на щ к ширине щ. Для определения плотности мощности в некоторой "точке" частотного диапазона необходимо щ 0.

Бесконечно малая мощность, заключенная в элементарном участке частотного интервала щ / _{щ 0}=dщ выражается через G(щ) следующим образом: радиоэлектроника частотный флуктуационный

dP=G(щ)dщ (1)

Общая мощность процесса равна сумме мощностей, заключенных в элементарных участках, и определяется выражением

(2)

Отсюда видно, что спектральная плотность мощности соответствует усредненной по времени мощности, приходящейся на единицу полосы, и характеризует распределение мощности в спектре частот. Спектральную плотность, выраженную функцией частоты, называют энергетическим спектром. Энергетический спектр флуктуационной помехи зависит от источника флуктуации, а также от полосы пропускания цепей, через которые она проходит. При G(щ)=const имеем так называемый белый шум. На деле белого шума нет, но иногда идеализация допустима и значительно упрощает расчетные соотношения. Итак, имея энергетический спектр шума, можно найти среднеквадратичное напряжение шума

.(3)

Рассмотрим прохождение флуктуационного шума через линейный четырехполюсник с коэффициентом передачи К(jщ), на который воздействует стационарное напряжение шума со спектральной плотностью мощности G(щ)_вх. Спектральная плотность на выходе

G(щ)_вых= G(щ)_вх |К (jщ)|², (4)

Согласно (2), можно найти все статистические характеристики выходного напряжения шума

= G(щ)_вх |К (jщ)|² dщ, (5)

В случае белого шума G(щ)= Go = const выражение (5) примет вид

G_вх |К (щ)|² dщ, (6)

Для практических расчетов U_ш²_вых удобно пользоваться понятием шумовой полосы пропускания. Для определения шумовой полосы пропускания несколько преобразуем выражение (6)

G_вх К²(f)df = G_вхK₀² K²(f)df (7)

где К(f) - модуль коэффициента передачи К_о - значение модуля на частоте f₀. Шумовой полосой пропускания четырехполюсника называется входящий в правую часть множитель (7)

П_ш=K²(f)df, (8)

Интеграл K²(f)df выражает площадь, заключенную между кривой K²(f) и осью абсцисс, а деление на К₀² дает ширину равновеликого прямоугольника высотой, равной К₀². Учитывая (8), среднеквадратичное значение напряжения шума можно вычислить по формуле:

U_ш²_вых = G_вхК_о² П_ш. (9)

2.3 Шумы электрических цепей

Шумы электрических цепей рассмотрим на примере простейшего RC - контура. Из статистической физики известно, что любая система, находящаяся в состоянии стационарного теплового движения, обладает средним квадратом флуктуационного напряжения на контуре, определяемым по формуле Найквиста:

U_ш²=4kТR(f)df,

U_ш²=4kТRП_ш. (10)

где k=1,38-10^-23 Дж/град - постоянная Больцмана; Т-абсолютная температура по Кельвину.

Это соотношение является наиболее простой формулой для расчета среднего квадрата флуктуационного напряжения любой цепи, имеющего определенные значения сопротивления R и шумовой полосы пропускания П_ш. Анализируя выражение (10), можно сделать вывод, что спектральная плотность мощности теплового шума, генерируемого сопротивлением, не зависит от частоты. Можно отметить, что напряжение тепловых шумов зависит только от активной составляющей R(щ) сопротивления двухполюсника и не зависит непосредственно от реактивной составляющей х(щ).

Для облегчения анализа в схемах шумящее сопротивление обычно заменяют нешумящим сопротивлением того же значения, включенным последовательно с генератором напряжения шума или параллельно с генератором шумового тока.

Источником внутренних шумов в LC - контуре является активное сопротивление потери r. ЭДС теплового шума, создаваемого этим сопротивлением, определяются в соответствие с выражением (10). Реактивные элементы колебательного контура L и С не создают шумов. Среднеквадратичное напряжение шума на контуре за счет резонансных явлений будет значительно выше и определяется выражением

(11)

где Q - добротность контура; R_oe=- резонансное сопротивление контура.

2.4 Шумы электронных ламп

Рассмотрим шум диода, у которого флуктуация эмиссионного тока полностью воспроизводится в анодном токе.

Хаотичность процесса термоэлектронной эмиссии приводит к тому, что мгновенное значение анодного тока колеблется вокруг среднего значения I₀.

Для определения флуктуации анодного тока воспользуемся соотношением (2), т.е. средний квадрат флуктуационного шума I²_ш определим через энергетический спектр (спектральную плотность мощности) этого процесса. Средний квадрат флуктуационного тока в некотором интервале f можно определить по формуле Шоттки

I²_ш= 2I₀qП_ш (12)

Выражение (12) показывает, что спектральная плотность не зависит от частоты, т.е. флуктуация анодного тока электронных ламп также является белым шумом.

При анализе шумов триодов удобно перейти к эквивалентной схеме лампы: реальный, шумящий триод заменяют обладающим теми же параметрами нешумящим триодом, к цепи сетки которого последовательно включен генератор шумового напряжения U_ш. ЭДС шумового напряжения определяется следующим соотношением:

U_ш²=4KTR_шП_ш (13)

Для характеристики шумовых свойств лампы применяется шумовое сопротивление лампы R_ш. Шумовым сопротивлением лампы называется такое активное сопротивление, которое при T=300 К будет создавать шумовое напряжение, равное ЭДС шума, пересчитанного в цепь сетки.

Для приемно-усилительных ламп этот параметр обязательно задается в справочниках. Обычно для триодов шумовое сопротивление лампы определяется следующим выражением

R_ш=2,5/S (14)

Рассмотренные выше соотношения справедливы при отсутствии сеточного тока. Во многих схемах лампы работают при отрицательном смещении, когда сеточный ток очень мал, и при анализе шума его можно не учитывать. В многоэлектродных лампах помимо шумов, обусловленных флуктуациями анодного тока, присутствуют шумы перераспределения катодного тока между анодом и экранной сеткой. Распределение тока между указанными электродами подвержено хаотическим колебаниям, т.е. электронный поток в лампе испытывает непрерывные флуктуации, поэтому уровень шума многосеточных ламп намного больше, чем у триодов.

Пентоды характеризуются также шумовым сопротивлением

R_ш= (15)

где S - крутизна, мА/В Iа, I_э - анодный и экранный токи, мА. Шумовое сопротивление пентодов в среднем в 3-6 раз больше, чем у триодов.

2.5 Внутренние шумы полупроводниковых приборов

Большой интерес представляет изучение электрических флуктуации в полупроводниках и полупроводниковых приборах (ППП), поскольку их изучение создает основу для глубокого понимания свойств полупроводниковых материалов и приборов. Представления о природе этих флуктуации могут быть использованы в качестве средства изучения физики полупроводниковых приборов и материалов. В частности, они позволяют более четко обнаружить некоторые физические явления и точнее определить физические параметры материалов и приборов по сравнению с другими методами. В полупроводниковых приборах имеют место тепловой шум, дробовой шум и низкочастотный шум. Тепловой шум обусловлен хаотическим движением носителей заряда в объеме полупроводника и их взаимодействием с кристаллической решеткой. Напряжение шума определяется по формуле Найквиста.

_шт²=4kTRП_ш. (16)

В транзисторе распределенное сопротивление базы r_б преобладает над распределенными сопротивлениями эмиттера и коллектора, поэтому при расчете уровня теплового шума учитывают только шумы базового сопротивления

_штб²=4KTr_бП_ш. (17)

Дробовой шум в ППП обусловлен флуктуацией числа носителей тока, пересекающих область пространственного заряда p-n - перехода. Флуктуации носителей тока в полупроводниковых приборах вызваны хаотическим процессом генерации и рекомбинации. Интенсивность дробовых шумов по аналогии с ламповыми диодами определяется по формуле Шоттки:

I_др²=2qI₀П_ш. (18)

Дробовые шумы возникают как в эмиттерном, так и в коллекторном переходах транзистора и их среднеквадратичные напряжения вычисляются соответственно:

=2qr_э²(I_э+I_э0)П_ш (19)

_дрк²=2qr_к²(h_21б I_э+I_к0) П_ш(20)

где r_э, r_к - дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного p-n - переходов соответственно; h_21Б - коэффициент передачи по току в схеме с общей базой; I_э0 - обратный ток эмиттерного p-n - перехода: I_э - ток эмиттера.

Если теория тепловых и дробовых шумов достаточно полно разработана применительно к широкой классу ППП и получила хорошее экспериментальное подтверждение, то такого заключения еще невозможно сделать по низкочастотному шуму. На основе многочисленных данных экспериментального исследования внутренних шумов ППП в области низких частот можно отметить следующие свойства:

- слабая температурная зависимость;

- сильная зависимость уровня от состояния поверхности реального прибора;

- зависимость шума от механических деформаций, дозы радиации, плотности дислокации и дефектов структуры.

Спектральная плотность мощности шума в области низких частот имеет вид:

G(f) =AIⁿf^--f. (21)

где I - ток, протекающий через p-n переход;

А - коэффициент, учитывающий физические свойства прибора;

n - показатель токовой зависимости (n12);

=0,52 - коэффициент частотной зависимости, определяющий скорость спада спектральной плотности;

Наиболее вероятной причиной возникновения низкочастотного шума считается флуктуация плотности носителей заряда, вызывающая флуктуации проводимости. Последние, в свою очередь, могут быть вызваны следующими причинами: генерация-рекомбинация носителей; флуктуация высоты потенциального барьера; туннельное прохождение носителей через потенциальный барьер диффузии носителей. Указанные процессы могут протекать как в объеме, так и на поверхности полупроводникового прибора. Одними из основных источников низкочастотного шума в полупроводниковых приборах являются дефекты кристаллической решетки, рассмотренные выше. Эти дефекты создают дискретные энергетические уровни в запрещенной зоне, которые могут проявлять себя в качестве рекомбинационных центров. Причем время захвата этих центров может принимать значения до нескольких минут, тем самым существенное влияние оказывают на электрические свойства р-n перехода. Расчеты, проведенные для объемного центра, локализованного в обедненной области р-n перехода показывают, что случайные процессы эмиссии носителей заряда глубоких центров приводят к большой постоянной времени и появлению НЧ шумов. Уровень шума определяется концентрацией дефектных уровней. Среди различных моделей НЧ шума можно выделить модели, которые связывают происхождение шума со свойствами поверхности полупроводников. Эти модели основываются на случайном распределении поверхностного потенциала, образуемого статистическим распределением связанных зарядов, локализованных в оксидном слое. Полученные результаты находят достаточно точное экспериментальное подтверждение.

Одной из разновидностей НЧ шума является "взрывной шум". Этому вопросу в последнее время посвящено значительное число работ. Источник взрывного шума пока не вполне ясен, но считается, что он связан с наличием тонких, сильно легированных эмиттерных переходов. Появление и исчезновение импульсов связывается с одной ловушкой в области пространственного заряда. Наиболее правдоподобной теорией взрывного шума следует считать дислокационную теорию, находящуюся в хорошем согласии с экспериментом. Таким образом, в полупроводниковых приборах имеются следующие процессы обусловливающие НЧ шумы: а) флуктуация тока за счет захвата носителей объемными центрами, локализованными в однородных областях кристалла; б) флуктуация тока вследствие флуктуации высоты потенциального барьера р-n - перехода; в) флуктуации тока за счет захвата и эмиссии носителей заряда медленными поверхностными состояниями; г) флуктуации тока вследствие изменения потенциала в при поверхностной области p-n перехода.

Размещено на Allbest.ru