Способ устранения шума в усилителе

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

( а- : (!

АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО HA ИЗОБРЕТЕНИЕ

Класс 21 а4, 5ф 29

Яо Зд®8

Ю вт. алла в

-- -- = — =.1

ОПИСЯНИЕ способа устранения шума в усилителе.

К авторскому свидетельству Г. В. Брауде, заявленному 10 апреля

1933 года (спр. о перв. ¹ 126978).

О выдаче авторского свидетельства опубликовано 30 анрепа 1934 года.

Как в настоящее время известно, причинами, вызывающими шумы в усилителях, являются, в основном, тепловые флюктуации свободных электронов внутри проводников, шрот-эффект и фликер-эффект внутри электронных ламп.

Удельный вес этих факторов может быть в разных случаях различен; но очень часто превалирующим фактором являются тепловые флюктуации внутри проводников. В частности, дело обстоит так в случае усиления слабых фототоков, с которым имеют дело, например, в дальновидении. Шум, создаваемый тепловыми флюктуациями в сопротивлении, включенном в фотоэлектрическую цепь, на входе усилителя, ставит в этом случае границу для величины усиливаемых фототоков, ниже которой эффект от фототоков на выходе усилителя оказывается ниже эффекта, вызванного шумом.

Уничтожить тепловые флюктуации свободных электронов в проводниках можно было бы, только понизив температуру проводников до абсолютного нуля, что технически невозможно осуществить, Предметом предлагаемого изобретения является способ устранения шума в усилителе, происходящего благодаря тепловой флюктуации в проводниках.

Сущность его заключается в том, что частотная характеристика усилителя и (365) частотная характеристика вещественной части комплексного сопротивления, в котором происходят флюктуации, подбираются такими, что распределение энергии шума, вызванного тепловыми флюктуациями (эта энергия, как известно, пропорциональна вещественной части сопротивления и квадрату коэфициента усиления усилителя) по спектру частот, получается таким, при котором, в области того спектра частот, который занимает усиливаемые токи или напряжения, энергия этого шума была бы исчезающе мала, и в то же время усилитель, усиливая только в области этого спектра частот, воспроизводил бы усиливаемые токи или напряжения без искажений.

Схемы устройств для пояснения и конкретного осуществления этого способа изображены на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена обычная схема усиления фототоков. Электрический ток 1 фотоэлемента Ф протекает по сопротивлению R, включенному в фотоэлектрическую цепь на входе усилителя Y.

С вЂ” шунтирующая сопротивление паразитная емкость, составляющаяся из емкости фотоэлемента, собственной емкости сопротивления и входной емкости первого каскада лампового усилителя, V — напряжения на выходе усилителя.

Как известно, среднее квадратичное напряжения на выходе усилителя, создаваемого тепловыми флюктуациями в сопротивлении, включенном на входе усилителя, определяется следующей формулой: — 2 2ЛТ 1 (Я(со)) г 2 (со) н о где Т вЂ” абсолютная температура, и — постоянная, _#_(«!)l — вещественная часть комплексного сопротивления (зависящего от частоты), в котором происходят тепловые флюктуации, Y — коэфициент усиления усилителя (зависящий от частоты).

В раса матри вадимом случае, ко гда и рименено омическое сопротивление, шунтируемое емкостью ((Я (o)) = 1 - С

R0 (R0 — величина сопротивления при постоянном токе).

Если коэфициент усиления усилителя

or частоты не зависит, то-есть остается постоянным для «> от нуля до бесконечности, то имеет место соотношение: — 21Т со R,У

+о о о

2kT ос do>

0 1 + „, R Р о 4

2kT1 -R, 1, со 212 ТУЧ о -. 12 ТУ R —,(tgх)—

Таким образом, полная энергия шума по всему спектру частот от величины сопротивления Ro не зависит и обратно пропорциональна величине паразитной емкости С.

В действительности коэфициент усиления усилителя не является постоянным во всем, диапазоне частот от нуля до бесконечности. На практике имеют обычно более или менее полосный усилитель, т. е. усилитель, коэфициент усиления которого постоянен в некотором диапазоне частот <оо — «>„за пределами которого он резко падает, и приближенно можно считать, что за пределами этой полосы частот он равен нулю. Энергия шума на выходе такого усилителя будет, следовательно, представлять собой только часть полной энергии шума V- =

1;re

yz 2 T (агс 1,.) пС 2С и энергия шума на выходе усилителя представляет собой половину полной

l ТУ энергии шума С . Если рассчитатьэнергию шума в полосе частот, в пределах которо" коэфициент усиления усилителя постоянен,а RpC«> ) 1 (постоянная времени входа усилителя гораздо больше периодов усиливаемых фототоков), таким образом, что вещественная часть сопротивления может быть в пределах этой полосы частот выражена так:

Р()1 „,21: Р тогда: о>! сосо 21;ТУ 1 о) v>o о

V- = — — „ при 0>! = co

1, 21; ТТ-"

1/2 —,.R (Ро>п

Из последнего выражения видно, что с увеличением R0 величина энергии шума в области частот « о — ®i будет падать и при R = co стремиться к нулю, в том случае, если. нижняя граница чаПри усилении переменных токов, занимающих некоторую полосу частот обычно допускается некоторое паденйе усиления на границах этой полосы. Можно принять для простоты за верхнюю

1 границу полосы частот со = —, при коО торой падение усиления фототоков, и роисходящее из-за уменьшения напряжения на сопротивлении R, происходит в )/2 раз, за нижнюю же границу частот— нуль. Тогда:

«О сама не равна нулю (верхняя .граница может быть равной и бесконечности). Эта граница может быть тем ближе к нулю, чем больше йо.

Таким образом, при увеличении величины сопротивления Ro, полная возможная (при усилителе, усиливающем все частоты от нуля до бесконечности) энергия шумов сосредоточивается в области низких, лежащих около нуля частот, и при R,= со вся возможная полЛТ» ная энергия шумов С концентрируется при частоте, равной нулю, во всем же диапазоне частот, усиливаемых усилите- лем от частоты, близкой к нулю до бесконечности, энергия шума исчезающе мала.

Этим путем можно, действительно, избавиться от шума, вызванного тепловыми флюктуациями, но очевидно, что при этом фотоэлектрические токи различной частоты будут усиливаться не одинаково, а обратно пропорционально частоте, так как сопротивление, включенное в фотоэлектрическую цепь, в случае ROC ) 1, 1 равно —.

Для того, чтобы вновь получить равномерное усиление фототоков по частоте, предлагается в анодную цепь одной из ламп усилителя, например 1-ой, как показано на фиг. 2, включить вместо омического сопротивления небольшую, по сравнению с внутренним сопротивлением ! лампы, самоиндукцию (для чего эту лампу лучше выбрать экранированной).

Вместе с этим изменится, понятно, и распределение энергии шума по спектру частот но, как далее будет сейчас показано, в конечном диапазоне усиливаемых частот, энергия этого шума будет попрежнему исчезающе мала.

Действительно, в этом случае коэфициент усиления всего усилителя будет

» =5«Л»; где S — крутизна лампы, в анодную цепь которой включена самоиндукция I; Y — коэфициент усиления всего остального усилителя, который попрежнему будет считаться постоянным в пределах некоторой полосы частот, например Π— «(за пределами же этой полосы частоты — равным нулю).

Подставиз в интеграл

1, г (Я(«)) } - «

27,.r Ф о значения Я(«)) —,, и» = 5«1», 1

R -С-

О получим V - = — ) — 21 Т Г 1, о з

R, - С-"

О о> /;7 Я2 ; ) Г 2/;T Щ"- 1- со при конечной полосе частот « энергия шума на выходе усилителя, падая вместе с увеличением R„ будет стремиться к нулю при Rp — — со и в то же время, как было показано в области этой полосы частот, усилитель будет воспроизводить усиливаемые токи без искажения.

Для практики важна не абсолютная величина шума усилителя, а отношение его к эффекту, вызванному усиливаемым током на выходе усилителя.

Напряжение, вызванное фототоками I, на выходе усилителя будет равно и роизведению напряжения на сопротивлении, включенном в фотоэлектрическую цепь, на коэфициент усиления усили1 SL теля т. е. V= — -, S«I Y I —, Y; квадрат .с С о о этого напряжения будет V- = Р—,; — Y; отношение среднего квадратичного напряжения, вызванного тепловыми флюктуациями к напряжению, вызванному фотоэлектрическим током, будет

2 ;Т Ут|Гю РТР1 2l; T (,з

ЩО C - —.. I- R

Можно сравнить это отношение с соответствующим отношением для обычного случая усиления фототоков.

Для последнего случая уже была выведена формула для среднего квадратичного напряжения шума на выходе — 1 ТЪ"- усилителя V =, в случае, когда поВ

1 лоса частот усилителя « = †. Квадрат

RoC напряжения на выходе, вызванного фотоэлектрическим током, будет в данном

19 -"Л

2 квадрата напряжения U- = — 4 И,-Y -, то

Ю 1Т1 3 отношение U — — — = — — . — 1 -Ro =

V 2С 4

21; I

3.1 R С

Принимая во внимание, что,= < >, R,С

21 Т о получим U = — — —. Обозначая сопро3 JR, тивление, включенное в фотоэлектрическую цепь, в этом обычном случае через R, в отличие от разобранного выше случая, когда это сопротивление обозначалось через R» получим для отношения между числами U и U„

Vx AT о 2И <о —. R Ro

U 3 1 Вл —. I- Rp 3 Rx= R> ро

Величина и = — показывает во сколько

К

У раз отношение энергий (или, что то же, квадратов напряжений) шума и полезного эффекта на выходе усилителя, будет в случае применения предложенного способа меньше, чем то же отношение в обычном случае.

Величина R может быть принципиально сделана сколь угодно большой, но практически выше 200 М 9 ее сделать затруднительно. Принимая R> — 10", что соответствует, при практически минимальной емкости С в 30 >.< F, полосе частот в 5 104, получим п= 2000.

Снизив во столько раз шум, вызванный тепловыми флюктуациями, этим его практически уничтожают, так как тогда преобладающими станут уже шумы, выслучае различен для различных частот в пределах полосы частот, При частоте нуль он будет равен V2=PRO Y, сувеличением частоты он будет падать и при

) частоте О> =, он будет равен !

Если взять среднее значение званные следующими за тепловыми флюктуациями факторами, напр., шротэффектом.

Изложенная выше форма осуществления предлагаемого метода не является единственно возможной. Для случая усиления фототоков она является наиболее целесообразной, в случае же, когда требуется устранить тепловые флюктуации на сопротивлении, включенном в анодную цепь лампы, она трудно применима. В этом случае уменьшить энергию шума в заданном диапазоне частот можно, например, посредством подбора соответствующего индуктивного сопротивления и т. д.

Предмет изобретения.

1. Способ устранения шума в усилителе, происходящего благодаря тепловой флюктуации в проводниках, отличающийся тем, что частотная характеристика усилителя и частотная характеристика комплексного сопротивления, в котором происходят тепловые флюктуации, подбираются такими, что распределение энергии шума, вызванного тепловыми флюктуациями по спектру частот, получается таким, при котором в области того спектра частот, который занимает усиливаемые токи или напряжения, энергия этого шума была бы значительно меньше энергии сигналов и в то же время усилитель, усиливая только в области этого спектра частот, воспроизводил бы усиливаемые токи или напряжения без искажений.

2. Прием осуществления способа по и. 1 в применении к усилителям фототоков, заключающийся в том, что посредством увеличения сопротивления, включенного в фотоэлектрическую цепь на входе усилителя, постоянная времени входа делается гораздо больше величины периодов усиливаемых фототоков, в анодную же цепь одной из ламп усилителя включается самоиндукция, сопротивление которой мало по сравнению с внутренним сопротовлением этой лампы.

Б авторскому свидетельству 1 . В. Брауде № 359О8

Фиг1

Эксперт А. П. Селезнев

Редактор P. В. Восинснии

Ленпромпечатьсоюз. Тип. „Печ. Труд". Зак 2611 — 400