Главная - Литература

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 [74] 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233

минимальный уровень принимаемого сигнала в диапазоне 10-300 Мгц.

7-2в Промышленные помехи. Промышленные помехи создаются утечками высоковольтных линий электропередачи, системами зажигания авиационных и автомобильных двигателей, щетками коллекторов электродвигателей, установками диатермии и высокочастотного нагрева и т. д. Хотя создаваемые этими источниками помехи ие являются случайными, их часто рассматривают как «шумы». Интенсивность таких помех наиболее велика в городах и промышленных районах.

7-2г. Электростатические помехи. Электростатические помехи часто возникают при движении самолета сквозь снег, дождь или в зоне грозовых облаков. В этих условиях самолет может заряжаться до высокого потенциала по отношению к окружающей среде и у острых мест поверхности самолета возникает коронный разряд Коронный разряд создает сильное индукционное поле, в котором электростатическое поле значительно сильнее магнитного.

Электростатические помехи могут быть ослаблены применением электростатически экранированных рамочных антенн, установкой на самолетах статических разрядников, которые позволяют накопленному заряду стекать через большое сопротивление, и размещением антенн возможно дальше от мест коронного разряда.

7-2д Контактные шумы и шумы пробоя изоляции Эти шумы возникают при пробое изоляции или при нарушении мельчайших путей тока в деталях аппаратуры. Этот вид помех возникает в некоторых типах сопротивлений в дополнение к тепловым шумам. Контактные шумы и шумы пробоя могут быть ослаблены путем соблюдения надлежащих предосторожностей при изготовлении радиодеталей.

7-2е. Тепловые шумы. Свободные электроны в любом проводнике находятся в непрерывном движении. Это движение вносит случайный характер и является результатом теплового возбуждения. Такое движение электронов создает на зажимах проводника незначительные напряжения, которые изменяются по случайному закону. Тепловые шумы были обнаружены Джонсоном в 1928 г. и поэтому иногда называются шумами Джонсона. Примерно в то же время Найквист на основе статистических методов термодинамики показал, что эффективное, т. е. среднее квадратичное значение э.д.с. тепловых шумов, возникающей на любом полном (комплексном) сопротивлении, определяется выражением

E*u = 4kT R(f)df,

(7-1)

где Е..

средняя квадратичная величина составляющих спектра э.д.с. тепловых шумов в диапазоне частот от ft до fs; k - постоянная Больцмана, равная 1,38 X

X Ю~23 дж/°К; Т - абсолютная температура /?, СК; Щ) - активная составляющая комплексного сопротивления на частоте f, ом; f - частота, гц. Если активная составляющая полного сопротивления не зависит от частоты, то выраже-

8 Справочник радиоинженера

ние (7-1) может быть приведено к более простому виду:

Я2ш = 4ЙГД/7?, (7-2)

где Д/ = /3 - fx - полоса частот, гц.

Выражения (7-1) и (7-2) показывают, что эффективное напряжение теплового шума в диапазоне частот от / = 0 до / = оо равно бесконечности; однако это неверно. В области очень высоких частот классическая статистическая механика становится неприменимой, и выражения для шума должны быть пересмотрены на базе квантовой теории Однако уравнения (7-1) и (7-2) остаются справедливыми до частот по меньшей мере порядка 6- Wls гц *.

Эквивалентная схема любого полного сопротивления, рассматриваемого как источник шумов, приведена на рис. 7-2, а. Электродвижущая сила генератора тепловых шумов зависит только от активной составляющей и не зависит от реактивной составляющей полного сопротивления. Выражения (7-1) и (7-2) показывают, что мощность шума, приходящаяся на 1 гц (спектральная плотность шума), не зависит от области частот, в которой измеряется шум.


\Z=K+JX

TAfS

Рис. 7-2. Эквивалентные шумовые схемы полного сопротивления. а - эквивалентный генератор шуьювой э. д. с; б - эквивалентный генератор шумового тока.

Эквивалентная схема с генератором э.д.с. может быть заменена эквивалентной схемой с генератором тока, приведенной на рис. 7-2, б. Величина тока эквивалентного генератора определяется выражением (7-3):

/,2,

AkTAfG,

(7-3)

где G - активная составляющая полной проводимости Y (см. рис. 7-2, в),

(7-4)

Источник шума отдает наибольшую мощность шума в нагрузку при выполнении условия согласования полных сопротивлений источника и нагрузки, т. е. когда полное сопротивление нагрузки является комплексно сопряженным по отношению к полному сопротивлению источника. Наибольшая мощность, которая теоретически может быть при этих условиях получена от источника тепловых шумов, равна:

РШ = ИТА/.

(7-5)

* S. Goldman, Frequency analysis, modtrfa-tion and noise, p. 394, McGiaw-Hlll Book Company, Inc., New York, 1948. {Имеется русское издание. С. Гольдман, Гармонический анализ, модуляции, шумы. Иностр. литература, 1951.)



Эта мощность называется располагаемой1 шумовой мощностью. Однако, поскольку любое сопротивление независимо от его величины имеет одну и ту же располагаемую мощность при данной температуре, передачи шумов мощности от одного сопротивления к соединенному с ним другому сопротивлению не возникает независимо от величины этих сопротивлений, если они обладают одинаковой температурой.

Если в цепи складываются два или больше независимых случайных шумовых напряжений, то результирующее шумовое напряжение будет равно квадратному корню из суммы квадратов отдельных шумовых напряжений (среднее квадратичное значение) Если два сопротивления соединены последовательно, как показано на рис. 7-3, то эффективное значение результирующей э.д.с. шума будет равно:

£ш = VEU + Eh, = /4АГД/(/?, + V (7-6)


Рис. 7-3 Шумы двух последовательно соединенных полных сопротивлений.

Пример 7-1

Сигнал-генератор с внутренним сопротивлением /?! = 10 ООО ом соединен с первичной обмоткой идеального трансформатора, имеющего соотношение витков 1 10 (коэффициент трансформации п = 10). Трансформатор имеет полосу пропускания от 10 гц до 100 кгц. Вторичная обмотка нагружена сопротивлением RH- 1 Мом. Определить эффективное напряжение шума на нагрузке при температуре 17° С.

1. Определяют сопротивление генератора, пересчитанное ко вторичной обмотке идеального трансформатора:

Яг = П-Яи Rs=\0" 104

10е ом.

2. Определяют результирующее сопротивление параллельной комбинации R2 и R4 па зажимах вторичной обмотки.

Я°.Яи Ri + Rn

= 0,5 • 106 ом.

3. Определяют эффективное напряжение шума (0°С = 273° К):

£ш = V4kTAfR=

]/Ч • 1,38 Ю-28 • 290-(1№-10)-0,5-10< = : 28,3 мкв.

= ]/8

10"

1 В литературе наряду с термином «располагаемая мощность» употребляется равнозначный термин «номинальная мощность».

Пример 7-2

Определить напряжение тепловых шумов, развиваемое на входе приемника с полосой пропускания 10 кгц, резонансным контуром, парамеры которого указаны на рис. 7-4 Резонансная частота контура совпадает со средней частотой полосы пропускания приемника. Температуру полагать равной 17° С.

1. Определяют активную составляющую полного сопротивления, подключенного к сеточной цепи лампы

> l=63,1mxzh

\R=3.9Bom

\С=Шпф

& 0-

7 = (R+l"L)(h>Q

Рис. 7-4 Схема к примеру 7-2 Резонансная частота 1 Мгц.

Активная составляющая Z равна: Я

(1 - ш-ЬС)- + и>*с*я*

При резонансе

s>-uLC - 1

и /? равно:

<С*Я

2. Определяют Е.

Строго говъря, для определения Е нужно использовать выражение (7-1), учитывая зависимость /? от частоты. Однако такой прием редко используется из-за сложности расчетов. Чаще полагают, что R сохраняет неизменное значение в пределах полосы пропускания контура (определяемой на уровне ослабления на -3* дб), и для определения Е пользуются выражением (7-2). Если воспользоваться этим меюдом, то

Е- = 4kThfR\

II-*-

= Q*-R;

Е*ш = 4kTAfQsR = 4 1,38 • 10"28 X X 290 • 104 • 1002 • 3,96 = 6,34 • Ю-12; Еш = 2,52 мкв.

7-2ж. Шумы антенны. Антенна, подключаемая ко входу приемника, может быть заменена эквивалентной схемой, состоящей из генератора э.д.с. Ес, представляющего принятый сигнал, и полного сопротивления Za, как показано на рис. 7-5, а-

-Rz + Rnjx..

(7-7)

* Точное соотношение между эффективной шумовой полосой н полосой пропускания на уровне 3 дб многокаскадной схемы можно найти в книге «Vacuurn tube amplifiers*, p. 169, by G. E. Valley, lr., and H Wdllman, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1948. (Имеется русский перевод.)



где Za - полное сопротивление антенны; /?а - сопротивление излучения антенны; Ro - эффективное сопротивление потерь

антенной цепи; Ха - реактивное сопротивление антенны.

иш.о

<ЧчкТАГК„

£ша = Т/4й7-эД/7?2.

Пространство, окружающее реальную антенну, не имеет всюду одинаковой температуры. Кроме того, промышленные и атмосферные помехи, а также космические шумы, воспринимаемые антенной, добавляются к тепловым шумам, изл)чаемым окружающим антенну пространством. Поэтому действительная величина шума (точнее, помех) на зажимах антенны отличается от величин, определяемых формулами (7-9) и (7-10), на величину, зависящую от расположения антенны, частоты и характеристики направленности антенны. Поскольку шумы, создаваемые на зажимах антенны, трудно разделить меж-

ду отдельными источниками, принято использовать результирующую э.д.с. внешних шумовых помех, которую представляют в виде:

где Тэ - эффективная шумовая температура сопротивления излучения, т. е. такая температура, при которой сопротивление излучения создает э.д.с. шума, равную результирующей э.д.с. воспринимаемого антенной шума согласно (7-11).

Квадрат полной э.д.с. шума Еш, действующей в реально*антенне с потерями, будет равен:

Еш = 4kT3AfRs + 4ЙГД/7?0 =

= 4ЙГД/(-7?а + 7?0). (7-12)

Рис. 7-5. Эквивалентные схемы антенны. а - схема антенны как источника сигнала; б - эквивалентная шумовая схема.

R% представляет собой сопротивление, которое, будучи соединено последовательно с антенной, поглощает такую же мощность, какую излучает антенна, если она используется в качестве передающей. Оно представляет собой кажущееся сопротивление антенны, не имеющей других потерь.

Сопротивление потерь антенны /?0 создает э.д.с. тепловых шумов точно таким же образом, как и другие омические сопротивления; этот Шум может быть учтен введением последователь-рс генератора э.д.с. шума

Ешо= /4ЙГД/7?0 (7-8)

Сопротивление излучения антенны входит в схему эквивалентного генератора э.д.с, который характеризует мощность сигнала, воспринимаемую антенной. Если бы антенна, Имеющая пренебрежимо малые потери, находилась в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, то мощность тепловых шумов На ее зажимах была бы равна

/>Ш = ЙПД/. (7-9)

?де Тэ - температура антенной системы, состоящей из антенны и пространства, в которое она излучает. Эта шумовая мощность воспринимается антенной из окружающего пространства, а не создается внутри антенны. Для учета таких шумов вводится генератор шумовой э.д.с.

(7-Ю)

Полная эквивалентная схема антенны, включающая источники шумов, приведена на рис. 7-5, в.

7-2з. Шумы электронных ламп. Существует несколько основных источников шума электронных ламп (см. табл. 7-1). Эти шумы вместе с тепловыми шумами ограничивают величину максимального полезного усиления усилителя.

1. Дробовые шумы. Наиболее важным типом ламповых шумов являются дробовые шумы, возникающие вследствие того, что электронная эмиссия накаленного катода образует ток, состоящий из множества отдельных элементарных заряженных частиц, вылет которых является случайным. В результате ток эмиссии обладает флуктуациями. Эти непрерывные флуктуации тока лампы называются шумами дробового эффекта. Шумы, создаваемые дробовым эффектом, подразделяются на два вида: дробовые шумы анодного тока и шумы, наведенные в цепи сетки.

Дробовые шумы анодного тока. Дробовые шумы анодного тока создаются: 1) флуктуациями анодного тока вследствие случайного характера электронной эмиссии с катода и 2) в многоэлектродных лампах - случайным характером перераспределения тока между токособирающими электродами, например между анодом и экранной сеткой в пентоде. Шумы перераспределения наводят шумовые токи в цепи управляющей сетки, которые в свою очередь увеличивают флуктуации анодного тока. Шумы, связанные с наведением токов в цепи сетки, будут рассмотрены отдельно от шумов, вызванных дробовым эффектом анодного тока.

Дробовые шумы анодного тока диодов и триодов с отрицательным смещением. Дробовой шум анодного тока имеет наибольшую интенсивность, когда ток лампы ограничивается температурой катода, т. е. когда напряжение на аноде достаточно велико для того, чтобы собирать все эмиттированные электроны (режим насыщения). При этих условиях шумовая составляющая анодного тока диода, триода с отрицательным смещением или любой лампы, в которой весь катодный ток направляется к одному электроду, определяется выражением

I , = У2е/0Д/ (насыщенный диод или триод),

(7-13)



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 [74] 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233



0.0061