Szumy układów elektronicznych, wzmacnianie małych sygnałów

Transkrypt

1 Szumy układów elektronicznych, wzmacnianie małych sygnałów Ryszard J. Barczyński, 2016 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Szumy układów elektronicznych Zbyt małe sygnały powodują trudności w ich wzmocnieniu gdy wielkość sygnału staje się porównywalna z szumami układu. Podlegają one wzmocnieniu na równi z sygnałem i w rezultacie nie jesteśmy w stanie oddzielić sygnału od szumu. W takiej sytuacji należy stosować specjalne (niskoszumne) wzmacniacze, a w skrajnych wypadkach stosować specjalne metody, na przykład detekcję synchroniczną. O wielkości szumów wzmacniacza zwykle decyduje pierwszy stopień (jego szumy są wzmacniane przez stopnie następne), zatem jemu należy poświęcić szczególną uwagę.

3 Szumy układów elektronicznych Źródłem szumów jest głównie ziarnista struktura ładunków elektrycznych, w rezultacie której następują fluktuacje wartości prądów i napięć wokół ich wartości średniej. Rozróżnia się następujące składowe szumów elementów elektronicznych: szumy cieplne; szumy śrutowe; szumy strukturalne.

4 Szumy cieplne Szumy cieplne powstają na skutek bezładnego termicznego ruchu elektronów w rezystancjach. Reprezentuje się ja za pomocą źródła napięciowego lub prądowego: e2=4 k T R df i 2=4 k T G df gdzie k to stała Boltzmanna, T temperatura, R = 1/G rezystancja. Widmowa gęstość szumów termicznych jest proporcjonalna do do szerokości pasma df, z tego względu określa się je jako szumy białe. Źródłem szumów termicznych są również wszelkie obwody ze stratami i impedancje źródeł sygnałów.

5 Szumy śrutowe Źródłem szumów śrutowych jest są fluktuacje nośników ładunku przy przepływie prądu w elemencie. Przedstawia się je za pomocą źródła prądowego: i 2=2 q I 0 df gdzie I0 to składowa stała prądu. Również i tu widmowa gęstość szumów jest proporcjonalna do do szerokości pasma df czyli szum jest biały. W przypadku rozpływy prądu do wielu elektrod wyrażenie to się nieco modyfikuje (a szum nieco się zwiększa).

6 Szumy strukturalne Źródłem szumów strukturalnych jest ziarnista struktura elementów emitujących nośniki ładunku oraz zjawiska powierzchniowe (generacja i rekombinacja na powierzchni kryształu). Ich gęstość widmowa jest z grubsza proporcjonalna do 1/f 1 i 2= A df f Szumy te odgrywają istotną rolę przy wzmacnianiu sygnałów nmałej częstotliwości i prądu stałego.

7 Szumy tranzystora bipolarnego Na szumy białe tranzystora bipolarnego składają się: 2 ebb ' =4 k T r bb ' df szumy cieplne rezystancji rozproszonej bazy szumy śrutowe wszystkich składowych prądów tranzystora i C =2q I E df od prądu kolektora 2 E IE i =2 q 1 I E df 2 q df od prądu bazy 2 od prądu zerowego kolektora 2 i C0=2 q I C0 df

8 Szumy tranzystora bipolarnego Na szumy strukturalne 1 i 2s = A df f od rekombinacji powierzchniowej; A stała zależna od konstrukcji tranzystora i proporcjonalna do IE 1 i =B df f od rekombinacji powierzchniowej; B stała zależna od konstrukcji tranzystora, napięcia kolektora i temperatury struktury. 2 n

9 Szumy tranzystora bipolarnego Wszystko razem, pod warunkiem że źródła szumów nie są skorelowane

10 Szumy tranzystora unipolarnego (JFET) Szumy cieplne kanału 2 i D =4 k T g m df szum śrutowy prądu upływu bramki 2 i B =2 q I B0 df szumy strukturalne fr i =4 k T gm df f 2 B (fr to typowo 104 Hz)

11 Szumy tranzystora unipolarnego (JFET) Wszystko razem. Zwykle tranzystory unipolarne mają szumy znacząco mniejsze od tranzystorów bipolarnych.

12 Współczynnik szumów Aby scharakteryzować własności szumowe układu wprowadza się tak zwany współczynnik szumów: F= P syg P szum wy P syg P szum we ( ) ( ) Dla idealnego układu bez szumu F=1. Współczynnik szumów wyraża się zwykle w mierze logarytmicznej. F [db ]=10 log F

13 Współczynnik szumów W celu obliczenia współczynnika szumów wzmacniacza tranzystorowego WE przenosimy wszystkie źródła na wejście w postaci równoważnych źródeł napięciowych: Zakładając, że źródła szumów nie są skorelowane: F= e2g e2bb ' e2e e2c0 e2c e2g

14 Współczynnik szumów Podstawiając wyrażenia na poszczególne składowe dla tranzytora bipolarnego otrzymujemy: 2 r bb ' q R r IE kt g bb' F=1 I C0 I E T R g 2 q I E Rg 2 k T Rg Widać, że możliwa jest optymalizacja szumowa układu przez dobór odpowiednich prądów spoczynkowych. szumy zależą od impedancji źródła sygnału. 2

15 Wzmacniacze z przetwarzaniem By rozwiązać problem dużych szumów i dryfu przy bardzo małych częstotliwościach można zastosować wzmacniacz z przetwarzaniem.

16 Wzmacniacze z przetwarzaniem Wzmacniacz stabilizowany za pomocą wzmacniacza z przetwarzaniem.

17 Wzmacniacze z przetwarzaniem

18 Detekcja synchroniczna (lock-in)

19 Detekcja synchroniczna (lock-in)

20 Detekcja synchroniczna

21 Synchroniczna pętla fazowa (SPF, PLL) Zasada działania układu synchronicznej pętli fazowej Zastosowanie układu synchronicznej pętli fazowej do realizacji precyzyjnego detektora amplitudy.