ГЛАВА 6 ШУМЫ и ФОНЫ в УСИЛИТЕЛЯХ

в выходном напряжении усилителя наряду с основной составляющей, зависящей от входного сигнала, всегда присутствуют напряжения шумов и фонов, никак с сигналом не связанные. Величина шумов на выходе не должна превышать некоторой заранее определенной доли от выходного сигнала, в противном случае форма выходного напряжения получается недопустимо искаженной.

Шумы обусловлены статистическими флуктуациями величин зарядов и токов в сопротивлениях и лампах усилителя. Поэтому частотный спектр шумов-сплошной и ограничивается лишь полосой пропускания цепей усилителя. В реальных усилителях шумы принципиально невозможно устранить полностью, поскольку они возникают вследствие неизбежных флуктуации плотности зарядов в проводниках и лампах. Рациональным расчетом и выбором элементов схем конструктор может лишь уменьшить шумы до некоторых пределов.

Фоны являются результатом разнообразных наводок иа цепи и лампы усилителя. Высокочастотные наводки могут быть вызваны внешними электромагнитными полями, создаваемыми генераторами. Наводки сетевой частоты чаще всего создаются магнитным полем рассеяния силовых трансформаторов и дросселей, а также переменными электрическим и магнитным полями нити накала во входных лампах усилителя. Нередко основной причиной фона является пульсация недостаточно сглаженного выходного напряжения выпрямителя. Сотрясение ламп при ударах или вибрация их электродов вследствие акустической наводки создают фоны непрерывных или затухающих напряжений, которые при прослушивании передаются свистами или затухающим звоном. Фоны характерны определенной для данного случая частотой. Правильным конструированием усилителя фоны могут быть устранены практически полностью.

§ 6.1. Шумы в сопротивлениях

Тепловые шумы в сопротивлениях обусловлены статистическим зшрактером теплового движения носителей тока. Если бы свободные электроны в проводнике, к которому не приложена внешняя разность потенциалов, находились в покое, то их распределение внутри проводника было бы равномерным, а разность потенциалов на его концах равнялась нулю. В процессе теплового движения электронов происходят случайные изменения их концентрации в разных местах сопротивления, в результате чего разность потенциалов на его концах (беспорядочно флуктуирует [6.1].

Среднеквадратичная величина эдс тепловых шумов на зажимах комплексной электрической цепи с сопротивлением Z выражается формулой Найквиста

Шз

где /5= 1,374- 10 дж[град-постоянная Больцмана, Т-абсолютная температура, г (со) -активная составляющая сопротивления Z, в общем случае зависящая от частоты, и, и - пределы полосы частот, для которой определяется шумовая эдс.

Если в диапазоне частот Дсо сопротивление чисто активно и равно /?, то

, = ~kTR<i. (6.2)

Из формулы Найквиста следует, что эдс тепловых шysoв становится бесконечно большой при неограниченном увеличении сопротивления R или полосы частот. Объясняется это допущениями, которые принимаются при выводе формулы: а) количество свободных электронов в проводнике достаточно велико для того, чтобы можно было предполагать, что их взаимная энергия велика в сравнении с собственной энергией; б) высшая частота рассматриваемого диапазона не превышает средней частоты соударений электронов в процессе их хаотического движения.

В случае очень больших величии сопротивления R, когда проводимость вещесгва мала и плотность свободных электронов невелика, взаимная энергия их также нсмезающе мала. По этой причине эдс тепловых шумов не возрастает бесконечно при неограниченном увеличении сопротивления. Это явление, однако, заметно проявляется лишь при таких больших активных сопротивлениях, которые практически недостижимы: неизбежные собственные емкости, шунтирующие сопротивление, уменьшают его активную составляющую.

Верхняя граница полосы частог, в которой верна формула Найквиста, очень велика и равна около Ю* гц. Таков порядок частоты

к. Э. Эрглис, И. П. Степаненко

соударения электронов с атомами, при которых изменяется энергия электронов.

В диапазонах практически используемых частот и сопротивлений формулы (6.1) и (6.2) дают точные результаты. Для удобства расчетов перепишем последнюю формулу в упрош,енном виде. Вычислим постоянный коэффициент для Г=293° К (или 20° С), предварительно умножив его на 2я, чтобы подставлять частоту в герцах:

4&Г= 4.1,374-10- - 293= 1,61 10 дж.

Извлекая корень из правой части (6.2), получим действующее значение эдс тепловых шумов

e = l/7? = 0,127/W-/W. (6-3)

В этой формуле R следует брать в килоомах. А/-в килогерцах, чтобы получить в микровольтах.

Шумы, обусловленные флуктуациями проводимости, возникают в мастичных и пленочных сопротивлениях типов ВС, МЛТ, УЛМ, проводящий слой которых имеет зернистую структуру. В процессе протекания тока сопротивление между отдельными зернами и пути токов между ними непрерывно изменяются. Эти явления сопровождаются микроскопическими пробоями. Величина шумового напряжения приблизительно пропорциональна приложенному напряжению и корню из полосы частот и зависит от качества сопротивления. По степени шума сопротивления ВС и МЛТ разделяются на две группы. При номинальной рассеиваемой мощности и величине сопротивления 10 ком и более шумовое напряжение, приведенное к полосе частот 1 кгц, не превышает 1 мкв на 1 в приложенного напряжения для сопротивлений группы Л и не превышает 5 MKeje для сопротивлений группы Б.

Рассчитаем для примера шумовое напряжение на сопротивлении 10 ком группы Б с номинальной мощностью 1 вт. Рассеиваемая мощность равна номинальной в том случае, когда падение напряжения на сопротивлении равно 100 в, при этом напряжение шума не

превосходит 5 - 100 в = 500 мкв для полосы 1 кгц. Тепловой шум

в том же сопротивлении на три порядка меньше и равен е = -УМ/=УТог[(0,4: мкв.

При снижении напряжения на сопротивлении шум флуктуации проводимости уменьшается; в ненагруженном сопротивлении остается лишь тепловой шум.

Тепловой шум на зажимах сопротивления, шунтированного емкостью. Входная цепь усилителя очень часто представляет собой