Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 332. К расчету согласования приемника излучения с усилителем: а — идеальный нешумящий усилитель; б — шум усилителя представлен генератором шума Гт и сопротивлением R3Kt,
условия сочетания. Шумовая схема для этого случая представлена на рис. 332, а.
Дисперсия шума источника сигнала на выходе усилителя определяется шумом генератора Гш1 и равна
= 4&7Vi [rlJin -|- гЕХ) ] ДДц. ycKl.
Дисперсия дополнительного шума, определяемого генератором Гш2, _ _________
Ыш. доп = 4kT 11ХГвх \r J(Гi -(- Г,вх) ] Д/ш. ус Ко.
Коэффициент шума
F -- 1 “b w'ui. ДОП /Will. С — 1 ТВХ^il(T[Гвх),
если Т = Ткк = Т0, то
F = 1 + rt/rBx.
Для уменьшения коэффициента шума необходимо, чтобы входное сопротивление усилителя было максимальным, т. е.
^"вх ГI,
где rt = rrj(r + r„).
508
При согласовании шумов, когда rHX = rif коэффициент шума F = 2. Путем рассогласования, когда rKX > rh коэффициент шума можно уменьшить, однако даже в совершенно нешумящих усилителях он больше единицы, если величиной rt нельзя пренебречь по сравнению с гвх.
Если с шумами усилителя приходится считаться, расчет усложняется. Предположим, что шум усилителя можно представить в виде эквивалентного сопротивления R3KU, которое выбрано таким образом, чтобы генерируемый им шум Джонсона был равен шуму дробового эффекта, наблюдаемому на выходе первого ка скада. Это сопротивление учитывает в основном дробовой шум анодного тока лампы, так как предполагается, что дробовой шум сеточного тока, тепловой шум нагрузки, фликкер-эффект, микрофонный шум и т. д. доведены до возможного минимума, существенно не увеличивающего составляющую дробового шума анодного тока. Для предусилителей на транзисторах джонсоиоьский шум сопротивления R3Kii также может быть аналогом сложной физической картины шумов транзистора, только величина /?экв должна выбираться исходя из иных соображений, чем для лампы.
Эквивалентная шумовая схема для шумящего усилителя может быть, следовательно, представлена в виде, показанном на рис. 332, б. Усилитель на этой схеме вновь предполагается идеальным (нешумящим), а его шум генерируется источником шума Гш3.
Для этой схемы справедливы следующие соотношения.
Коэффициент шума входного сопротивления
Общий коэффициент шума можно найти, учитывая, что все шумы были отнесены к одной точке — выходу усилителя, в виде суммы
о ЛкТ Г Гг.Нг.Л-г М2 Af К2 г г
Fx^ 1+- °-=1
ссли Гвх = Ti = Т0, то
^1 = 1 rJrвх *
Коэффициент шума усилителя
^=1 +
если Ti = Т0, to
F2 = 1 h (RsJn) (1 + rjr^f.
F — 1 “h (P uiL H- P nvi)/P lit. их — 1 ! P ml IP in. вх 4“ P ш JP ш. вх
= + (/•»-!).
509
T. G.
F = 1 + Г,/Гвх -f (^Экв/Л) (1 + Z'i/'-вх)2-
Для уменьшения коэффициента шума требуется низкая величина R3KB и высокая гвх. При согласованном входе, когда гЬх = = г[, коэффициент шума F > 2.
Найдем оптимальную величину rt путем дифференцирования выражения для F и приравнивания результата нулю:
dF ___ 1 Яэкв I /?экв _ п
дг‘ _ ^
откуда
ГI opt == ^"вх V ^Экв/(^”вх НЬ- Яэкв) •
Подставляя это значение в выражение для F, найдем минимальную величину коэффициента шума при несогласованном входе
Г _____ II 2^ЭКВ ! 0 1 / /?экв ^ 1 | /?экв \
raln“ h 'вх 12 V ГЪХ V + Гвх )'
Для ламповых предусилителей можно считать гвх = 10е Ом, Яэквщп = 200 0м (ТР1ЮД)> ^эквш№ = 700 Ом (пентод), т. е.
''/opt = Ю6 V(200Т 700)/106= (1,4 -г- 2,6) 104 Ом.
Для предусилителей на полевых транзисторах благодаря их низкому шуму и высокой величине гвх можно получить аналогичное значение г,opt, в других случаях для транзисторных предусилителей riopt = 102-=-104 Ом.
Поскольку
П -= rrj{r -}- г„).
то, определив и зная из паспорта приемника г, можно найти
г» = ГГЛГ ~ пУ
если г гi, то гн — гI-
В этом случае отношение сигнала к шуму сохраняется, но абсолютные величины сигнала и шума могут оказаться слишком малыми, что вызывает целый ряд практических затруднений. Если величина сопротивления нагрузки уменьшается до 1/10 от сопротивления приемника, а величина напряжения питания ?„ и первичный сигнал Д/7 г неизменны, то напряжение сигнала падает до 1/3 той величины, которую вырабатывает приемник в условиях точного согласования, так как
р р гги Аг
~ 0 (/- + г„)2 г •
Скомпенсировать это падение можно, увеличивая напряжение источника питания Е0. Однако при этом увеличивается мош-
510
ность с$\гу рассеиваемая приемником. Ориентировочно можно считать, что предельная рассеиваемая мощность для приемников не превышает 0,1 Вт/см2; значит, если площадь приемника равна а (см2), то можно найти
©То — Ео/(г -)- гн) ; r/V< 0,1 й,
следовательно,
^0 max = (/’-1-0 Vo, lair.
Эти и некоторые другие дополнительные соображения, относящиеся к выбору параметров приемника и входной цепи, можно найти в книге Хадсона «Инфракрасные системы».
§ 14. ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСГИ И ДРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ЕГО СПОСОБНОСТЬ ОБНАРУЖИТЬ СЛАБЫЙ СИГНАЛ
Для того чтобы оценить способность приемника излучения обнаружить слабый сигнал, вводится специальная величина, называемая порогом чувствительности. Порог чувствительности ФПОр (Вт) равен той наименьшей мощности излучения, которая еще может быть обнаружена данным приемником излучения» Эта мощность, воздействуя на приемник, вызывает появление сигнала Uпор» превышающего среднеквадратическое значение шума ]//\U‘(U в определенное число раз р, обеспечивающее уверенное обнаружение сигнала. Так как
