ПРАКТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

         

ВНУТРЕННИЕ ИСТОЧНИКИ ШУМОВ


Если даже исключены все внешние связи ФУ по помехам, все же имеется минимальный уровень собственных {внутренних) шумов. Собственные шумы имеются у всех электронных компонентов, на которых рассеивается иощность. Основными видами собственных шумов являются: тепловые, дробо­вые, контактные, импульсные.

Тепловые шумы возникают в результате теплового движения элект­ронов в веществе резистора и определяют нижний уровень шумов, достижи­мый в ФУ. Действующее значение напряжения тепловых шумов Uт, в разомк­нутой цепи, обусловленное наличием в ней сопротивления R,

где k — 1,38*10-23 Дж/К - постоянная Больцмана: Т — абсолютная темпера-тура, К; AF — полоса пропускания шумов, Гц; R — сопротивление, Ом. При комнатной температуре (290° К или 17'С): 4kT=1.6*10-20 Вт/Гц,

Мощность тепловых шумов имеет равномерную частотную характеристику и в любой части спектра при одинаковой полосе имеет одинаковое значение, независимо от R:

Pш = U2т/R=4kTДF.

Для уменьшения напряжения тепловых шумов необходимо минимизировать сопротивление и полосу пропускания системы.

Дробовой шум связан с прохождением тока через потенциальный барьер. Он возникает из-за флуктуации среднего значения тока при хаотн-ческой диффузии носителей через базу транзистора и из-за случайного харак­тера генерации и рекомбинации пар электрон — дырка.

Действующее значение тока этого шума

где q=1,6-10-19 Кл — заряд электрона; 70 — среднее значение постоянного тока, А; ДF — полоса пропускания, Гц;



т. е. плотность дробового шума зависит только от значения проходящего тока и не зависит от частоты.

Контактные шумы вызываются флуктуацией проводимости вслед­ствие несовершенства контакта между двумя материалами. Они встречаются в композиционных резисторах, угольных микрофонах, транзисторах и диодах, и т. п., которые содержат множество сплавленных между собой частиц. В силу специфичной частотной зависимости их называют низкочастотными или 1/f шу­мами. Контактный шум If:

где А — постоянная, зависящая от вида материала контакта и его конфигу-рации; Т0 — среднее значение постоянного тока, A; f — центральная частота полосы пропускания, Гц; ДF — полоса пропускания, Гц.


«Вес» контактных шумов из-за характеристики 1/f на низких частотах мо­ жет быть очень большой. При исследованиях шумы 1/f наблюдаются даже при сигнале, имеющем период несколько часов. Контактные шумы — главный ис­точник помех в низкочастотных цепях.

Импульсные шумы обусловлены производственными дефектами и их можно устранить, улучшив процессы производства. Эти шумы вызываются дефектами в переходе полупроводникового прибора (обычно в виде метал­лических примесей). Импульсные шумы проявляются как резкие всплески и сопровождаются дискретным изменением уровня. Длительность шумовых им­пульсов колеблется от микросекунд до секунд, их амплитуда превышает амп­литуду тепловых шумов в 2... 100 раз, частотный диапазон составляет 0,01... ... 100 Гц. Так как этот шум связан с наличием тока, то наибольшее напря­жение шумов наблюдается в высокоомных цепях, например, во входной цепи ОУ. Для исключения импульсных помех необходимо обнаружить шумящий элемент и заменить его.

Учитывая, что все рассмотренные здесь источники шумов являются не­коррелированными, то они суммируются на основе правил сложения мощносей, следовательно, суммарное напряжение теплового, дробового, контактного и импульсного шумов определяется как



Для измерения напряжения шумов лучше всего пользоваться широкопо­лосным осциллографом. Основное преимущество осциллографа перед различ­ными вольтметрами в том, что на осциллографе можно наблюдать форму из­меряемого сигнала. При этом можно быть уверенным, что измеряются именно случайные шумы, а не наводки или фон сети частотой 50 Гц.

Действующее значение белого шума равно 1/8 (предполагается, что от­ношение амплитуды к действующему значению шумов составляет 4:1, при этом точность измерений не хуже 1,5%) двойного амплитудного значения сиг­нала, измеряемого на экране осциллографа. (При определении двойной амп« литуды на экране осциллографа один-два пика, которые будут значительно выше всей кривой сигнала, в расчет брать не следует.) Для количественной оценки шумов, вносимых отдельными электронными устройствами, используют коэффициент шума:





Коэффициент шума Кш можно определить также как

Kщ = AВХ/AВЫХ,

где АВХ=РС.ВХ/РШ.ВХ, Aвых = Рс.вых/Рш.вых; т. е. Kш показывает, во сколько раз отношение сигнал-шум на входе устройства больше отношения сигнал-шум на его выходе. Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется следующим выражением:



где Kш1 и KP1 — коэффициенты шума и усиления по .мощности первого каска­да; Kш2 и Kр2 — те же коэффициенты для второго каскада и т. д.

Из этого уравнения следует, что при достаточном коэффициенте усиления первого каскада суммарный коэффициент шума определяется коэффициентов шума первого каскада.

Для уменьшения уровня помех и шумов в общей системе необходимо ограничивать полосу пропускания усилителя до значения, соответствующего полосе слышимых звуковых сигналов. Поэтому в начале тракта необходимо устанавливать фильтры, ограничивающие полосу слышимых частот. Полоса пропускания последующих ФУ выбирается из условия обеспечения высокого качества их динамических характеристик (линейность фазо-частотной характе­ристики, высокая крутизна переходной характеристики и т. п.).


Содержание раздела