Шумы в усилительных каскадах

1. Шумы в усилительных каскадах

Лекции по курсу
«Электроника систем регистрации элементарных частиц»
Жуланов Владимир Викторович
тел. 329-47-32
e-mail: [email protected]

2. Временные свойства сл. сигнала

Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
2

3. Стационарный и эргодический сигнал сигнал

Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
3

4.

Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
4

5.

В общем случае, шум не имеет временной зависимости и описывается
спектральной характеристикой мощности:
un2
1
2
2
N ( )d
1
— мощность шума в полосе частот (W1-W2),
имеющего спектральную мощность N(W)
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
5

6. Тепловой шум

Природа теплового шума — тепловое движение свободных электронов, —
этот шум можно свести, в принципе, до нуля понижая температуру.
N тепл ( ) 4kT Re[ Z ( )]
— теорема Найквиста
k 1.38 10 23 Дж / К
— постоянная Больцмана
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
6

7.

Z ( j )
R
0
R
1 j
0
u
2
тепл
R
1
0
2
j
0
1
0
2
1
RC
N тепл ( ) 4kT
C
R
1
4kT
2
2
uтепл
R
1
0
2
2
;
R
1
1
0
2
d
2kT
2
arctg
| 1
C
0
kT
C
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
7

8.

R
u 2тепл
~
N ( )
4kT
M ( )
2
Re[ Z ( )]
Re[ Z ( )]
— спектральная плотность мощности
эквивалентного источника тока
C
i 2тепл
R
in2
1
2
2
M ( )d
1
C
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
8

9. Эффективная полоса шума

Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
9

10. Дробовой шум

Дробовой шум — шум, связанный с направленным перемещением
носителей заряда через какой-либо потенциальный барьер
M ( ) 2eI 0
— Спектральная мощность токового источника
дробового шума
e 1.6 10 19 Кл
— заряд электрона
I0
— средний протекающий ток
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
10

11. Шум 1/f (фликкер-шум)

1
1
M ( ) A0 A1
f
— Спектральная мощность фликкер-шума
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
11

12. Спектр шума из документации на усилитель TLC220x

Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
12

13. Приведение шума ко входу

Удобным способом характеристики собственных шумов электронной
схемы является пересчет внутренних источников шума эквивалентным
генераторам действующими на входе схемы.
При этом часть эквивалентных источников действует последовательно со
входом, а часть действует параллельно
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
13

14.

2
iш
.н
Rн
4 KT
Rн
Rн
Rн
iш2 .0 2eI0
Iвх
I0
Rвх
eш2
I0
iш2 .вх
I0 = SUвх0
iш2 .вх
I
2
др
iш2 .вх
Rвх
I
2
теп
4 KT
Rвх
~
2eIвх
I0
Rв
х
2
2
iш
iш
.
н
.0
2
eш
S2
4kT
2kT
: 2eI 0
RI 0
R
e
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
14

15. Эквивалентный шумовой заряд

+
Rb
Детектор
U s2
A(j )
~
Cd
I
2
p
I p2 a;
Выход
U in2
U b
2
s
Af
f
Рис. 4.5
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
15

16.

tд
tи
( t ) 2
A( j )
(1 2t 2 ) 2
2
A(j )
U
U
2
ш.в ых
2
ш.в ых
1
2
( j ) U
1
2
2
ш.в х
( j ) A( j )
2
Af
2
1
2
2
0 U s 2C 2 I p A( j ) d
b x 2 dx
at
t (1 x 2 )2 2 C 2
0
dx
0 (1 x 2 )2 Af
xdx at
b Af
0 (1 x 2 )2 8C 2 8t 2
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
16

17.

t опт
b
C
a
При таком параметре фильтра абсолютная
величина шума на выходе минимальна
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
17

18.

Для характеристики шумовых свойств усилителя используется
эквивалентный шумовой заряд. Это такой заряд, при подаче на вход
усилителя в виде короткого импульса, дает на выходе сигнал, амплитуда
которого равна:
2
U ш.в
ых
Для короткого импульса и выбранного усилителя:
t
Qв х t t
U в ых (t )
e
C t
U
max
в ых
Qв х 1
U в ых (t )
C e
Qв х 1
at
b Af
1
b 2
2
Q
a
t
C
4
A
C
вх
f
C e
8C 2 8t
2
q
t
1
b
Qв х
at (C A0Cос ) 2 4 A f (C A0Cос ) 2
q
t
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
18

19. Резюме

• Математическое описание шума
• Классификация шумов по природе явлений
• Приведение шумов ко входу. Параллельный и
последовательный шумы
• Эквивалентный шумовой заряд
Часть 4 "Шумы в усилительных каскадах"
19