СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 67 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2015 а б зительно одинаков. Мощность тепло- вого шума при согласованной нагруз- ке равна kTB ⋅ Вт, где k – постоянная Больцмана (1,38 × 10 –23 Дж/К), T – тем- пература в кельвинах, B – шумовая полоса системы. Дробовый шум порождается дис- кретной природой протекающего тока. Другие случайные явления, свя- занные с дискретной природой мате- рии, также вызывают шум, подобный дробовому. Примерами таких явлений могут быть генерация и рекомбинация пар дырка/электрон в полупроводни- ках (G-R шум) и разделение эмиттер- ного тока между базой и коллектором в транзисторах (шум декомпозиции). Характеристики этих шумов подобны характеристикам тепловых шумов, их частотный спектр в основном посто- янен и спектральная плотность мощ- ности шумов по всем радиочастот- ным и микроволновым диапазонам одинакова. В электрических устройствах слу- чайные шумы имеют множество при- чин. При определении характеристик шума обычно ссылаются на комбина- цию различных причин, влияющих на компонент. Комбинированный эффект зачастую рассматривается так, как если бы он был вызван тепловым шумом. Когда говорят, что устройство имеет определённую шумовую тем- пературу, это не означает, что такова физическая температура компонен- тов. Просто мощность шума эквива- лентна мощности теплового источ- ника шума. Хотя шумовая температура прямо не связана с физической тем- пературой, такая зависимость может существовать. Иногда можно достичь очень низкого коэффициента шума, охладив устройство ниже температу- ры окружающей среды. В данной статье не рассматривает- ся влияние человеческого фактора, хотя при приёме слабых сигналов оно может быть значительным. Проблемы шумов, вызываемых системами зажи- гания, искровыми разрядами, нежела- тельным приёмом побочных сигналов, а также электромагнитными возмуще- ниями в атмосфере, обычно решают- ся техническими средствами – изме- нением местоположения устройства, фильтрацией и надлежащим экрани- рованием. П ОНЯТИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА Наиболее обоснованное опреде- ление коэффициента шума вошло в употребление в 1940 г. с подачи Гарольда Фрииса, который опреде- лил коэффициент шума цепи (F) как отношение показателя сигнал/шум на входе к показателю сигнал/шум на выходе. . (1.1) Таким образом, коэффициент шу- ма цепи отражает степень ухудше- ния отношения сигнал/шум при прохождении сигнала через цепь. Идеальный усилитель усиливал бы шум на входе вместе с сигналом, под- держивая равные значения пока- зателей сигнал/шум на входе и на выходе (источником шума на входе часто является тепловой шум, обус- ловленный температурой земной по- верхности или потерями в системе). Однако реальный усилитель вносит некоторый дополнительный шум от собственных компонентов и ухудша- ет отношение сигнал/шум. Цепь с низ- ким коэффициентом шума себя оправ- дывает. Понятие коэффициента шума при- менимо только к цепям (по крайней мере, с одним входным и одним выход- ным портом), где происходит обработ- ка сигнала. В данной статье рассматри- ваются в основном двухпортовые цепи. Смесители, как правило, являются трёх- портовыми устройствами. Однако они обычно рассматриваются как двухпо- ртовые с гетеродином, подключённым к третьему порту. Коэффициент шума не зависит от коэффициента передачи. Когда шум накладывается на сигнал, то в дальней- шем усилению подвергаются как сиг- нал, так и шум. Следовательно, отноше- ние сигнал/шум не меняется. На рисунке 2 показан пример сиг- налов на входе и на выходе усилителя. Входной сигнал (см. рис. 2а) на 40 дБ превышает шумовой порог. Коэффици- ент передачи усилителя повысил уро- вень сигнала на 20 дБ (см. рис. 2б). Уро- вень входного шума также увеличился на 20 дБ, но при этом добавился соб- ственный шум усилителя. Выходной сигнал стал только на 30 дБ выше шумо- вого порога. Ухудшение отношения сиг- нал/шум на 10 дБ означает, что усили- тель имеет коэффициент шума 10 дБ. Обратите внимание: если бы уровень сигнала на входе был на 5 дБ ниже (то есть на 35 дБ выше шумового порога), на выходе он тоже оказался бы на 5 дБ ниже (на 25 дБ выше шумового поро- га), и коэффициент шума по-прежнему составлял бы 10 дБ. Таким образом, коэффициент шума не зависит от уров- ня входного сигнала. Рассмотрим более тонкий эффект. Ухудшение отношения сигнал/шум в цепи зависит от температуры источ- ника, который возбуждает цепь. Это можно доказать путём вычисления коэффициента шума F, где S i и N i – уров- ни сигнала и шума на входе тестируе- мого устройства; S о и N о – уровни сиг- нала и шума на выходе; N а добавочный шум от устройства; G – коэффициент передачи. (1.2) . Уравнение (1.2) также может иметь вид: Рис. 2. Типичные уровни сигнала и шума в зависимости от частоты на входе усилителя (а) и на выходе (б). Уровень шума вырос больше, чем уровень сигнала. Это относительное повышение уровня шума и есть коэффициент шума усилителя.