Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
? можно определить и по формуле
1.2 Исследование шумовых характеристик
Шумы возникают в различных элементах устройств - в резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Относительно несложен анализ шумов на частотах выше приблизительно 5 кГц, где преобладают шумы дробового эффекта и тепловые шумы, пока на высоких частотах не начинает сказываться уменьшение коэффициента усиления активных элементов. На частотах ниже 5 кГц уровень экспериментально наблюдаемых шумов превосходит уровень тепловых шумов и шумов дробового эффекта и изменяется обратно пропорционально частоте - отсюда их название Шумы типа 1/f.
Шумы дробового эффекта. В активных элементах устройств протекание тока является процессом переноса отдельных электронов, движущихся как заряженные частицы. Флуктуации тока через элемент связаны с изменениями во времени числа электронов, проходящих через поперечное сечение полупроводникового прибора. Шоттки в 1918 г. показал, что среднеквадратичное значение флуктуаций тока
(1.17)
где e=1.610-19 Кл - заряд электрона; I - постоянная составляющая тока через полупроводниковым прибор в амперах; - полоса частот в герцах.
Шумы дробового эффекта характеризуются гауссовским распределением амплитуды, поскольку вызваны очень большим числом независимых составляющих.
Тепловые шумы. На проводниках возникает переменное напряжение, вызванное беспорядочным тепловым движением свободных электронов в объеме проводника. Согласно Джонсону и Найквисту среднеквадратическое значение напряжения холостого хода на любом проводнике может быть выражено как
(1.18)
где k=1/380510-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура источника шума в кельвинах; R - сопротивление проводника в Омах; - полоса частот в герцах.
Тепловые шума также описываются гауссовским распределением амплитуды. В отличие от спектра шумов дробового эффекта, спектр этих шумов не зависит от частоты.
Можно показать, что максимальная мощность источника тепловых шумов составляет kT и при комнатной температуре эта величина (в дБм) равна
(1.19)
Низкочастотные (1/f) шумы. Третий часто встречающийся вид с гауссовским распределением амплитуды - низкочастотные шумы, известные также под названием избыточных шумов или шумов фликкер-эффекта. Шумы этого вида связаны с контактными и поверхностными неоднородностями в полупроводниках и вызваны флуктуациями проводимости среды, через которую протекает ток.
Спектральная плотность низкочастотных шумов (в ваттах), может быть описана выражением
P(f)=k/f?
где показатель степени ? изменяется в пределах от 0,8 до 1,5. Впервые шумы этого вида были обнаружены Шоттки в электровакуумных приборах и названы им фликкер-эффектом, поскольку казались связанными с мерцанием электронной эмиссии катода. Такого же рода шумы наблюдаются в резисторах и конденсаторах. В отличии от шумов дробового эффекта и тепловых, низкочастотные шумы не считаются неустранимыми и могут быть снижены соответствующей технологией обработки поверхности полупроводниковых приборов.
Высокочастотный усилитель можно рассматривать как умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным единице. Таким образом, данное рассмотрение в равной мере применимо как к усилителям, так и к умножителям частоты.
Экспериментально показано, что спектральная плотность фазовых шумов, возникающих в усилителях и умножителях частоты (остаточных шумов), изменяется по закону 1/f на частотах от 1 Гц до 5 кГц и что шумы этого типа являются результатом непосредственной фазовой модуляции высокочастотного колебания, проходящего через устройство, в активных элементах последнего.
В отсутствии отрицательной обратной связи по высокой частоте типичное значение ?(1) (величина фазовых шумов при отстройке 1 Гц) лежит в пределах от -110 до -120 дБ и определяется типом используемого транзистора. Типичное значение СПМ фазовых шумов, пересчитанное ко входу устройства составляет приблизительно ?(fm)=-112+10lg fm дБ. (Это справедливо для кремниевых и германиевых полевых и биполярных транзисторов с любыми граничными частотами, с любым уровнем шумов фликкер-эффекта, независимо от типа корпуса.)
Снижение шумов достигается только введением отрицательной обратной связи по высокой частоте. Таким образом можно получить снижение уровня фазовых шумов на 30-40дБ.
Экспериментально показано, что на величину ?(1) не оказывают существенного влияния ни значения рабочей частоты (в пределах до сотен мегагерц), ни уровень мощности входного колебания (при изменении последнего в разумных пределах). Не наблюдается также зависимости ?(1) ни от режима работы усилителя (в классах А, В и С), ни от коэффициента умножения (включая единичный).
При частотах анализа свыше 5кГц преобладающими оказываются тепловые шумы. Величина отношения мощности одной боковой полосы частот шумов к мощности несущей определяется уровнем входной мощности, уровнем собственных тепловых шумов и коэффициентом шума устройства. Это отношение в полосе частот шириной 1 Гц, отнесенное ко входу, равно ?(fm=1Гц)=10lg(kT/Pвх)+F, где Pвх- высокочастотная мощность на входе устройства; kT =410-21; F -коэффициент шума устройства в децибелах.
На практике входное колебание также может обладать значительным уровнем фазовых шумов. Если рассматриваемое устройство представляет