Шумы в автогенераторах

Напряжение на выходе идеального автогенератора.

В реальном генераторе.

где bU_CT(t) — амплитудный шум; 8|f (t) — фазовый шум.

Учитывая малость флуктуаций амплитуды и фазы, формулу напряжений запишем в виде.

Полученное выражение определяет спектр шумящего автогенератора.

Первое слагаемое представляет собой спектральную линию на частоте автогенератора со₀. Второе слагаемое указывает на наличие боковых полос вблизи частоты со₀, обусловленных амплитудным шумом, третье слагаемое определяет боковые полосы, созданные фазовым шумом. Обычно амплитудный шум существенно ниже фазового, и учитывают, как правило, лишь фазовый шум.

Для того чтобы оценить уровень фазового шума, нужно знать спектральный состав случайной флуктуации который зависит в основном от шума транзистора.

Шум транзистора

Если к транзистору подвести питание и открывающее его напряжение смещения, то токи и напряжение на электродах, помимо постоянных составляющих, будут иметь шумовые флуктуации. Например, коллекторный ток.

Случайная флуктуация 8/_ст (/) характеризуется спектральной плотностью мощности Sj (F), где F — частота флуктуации амплитуды тока. В зависимости от вида функции S, (F) различают два типа шума транзистора:

1) «белый» шум, у которого спектральная плотность не зависит от частоты флуктуации.

где N_m — коэффициент шума транзистора; к — постоянная Больцмана; Т — температура транзистора, К;

2) фликкер-шум, спектральная плотность мощности которого обратно пропорциональна частоте флуктуации.

где А_ф — параметр транзистора, определяющий уровень фликкер-шума.

Суммарная спектральная плотность мощности шума транзистора

или.

А

где F^ = —— — граничная частота фликкер-шума, т. е. час;

.

тота флуктуации коллекторного тока, на которой 5_ф = S',. Таким образом, шум транзистора определяется двумя его параметрами: N_lu и F^, а также температурой.

Фазовый шум автогенератора

Если транзистор включен в схему автогенератора, то его шум преобразуется в флуктуации фазы выходных колебаний, т. е. в фазовый шум автогенератора Sv|/(/). Известна формула Лисона для спектральной плотности мощности фазового шума:

Здесь А/р_ез = — половина полосы пропускания ре;

зонатора; /_рез — резонансная частота; Q — добротность; F — частота флуктуации мгновенной фазы выходного напряжения автогенератора; Р— выходная мощность автогенератора.

Зависимость 5'(F) представлена на рис. 4.14.

Рис. 4.14. Зависимость спектральной плотности мощности фазового шума от частоты флуктуации фазы

Эта зависимость переносится на частоту колебаний /₀ в автогенераторе, и спектр выходных колебаний принимает вид, представленный на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Выходной спектр автогенератора

При переходе от частоты генератора /₀ на некоторую частоту, отстоящую от /₀ на F, и выборе малой полосы частот Af в пределах которой можно считать S = const, мощность фазового шума в этой полосе.

При проектировании автогенераторов предъявляют требования по допустимому уровню шума в зависимости от F:

где частоты F устанавливают на уровне 0,1, 10, 100 кГц и т. д.

Для снижения уровня фазового шума автогенераторов, как следует из (4.21), необходимо:

1) применять транзисторы с минимальным отношени;

К

ем; как показала практика, существует оптимальный диапазон мощностей транзисторов, в котором отношение коэффициента шума N_m и Р_у минимально;

• 2) выбирать транзисторы с минимальной критической частотой фликкер-шума ;
• 3) применять резонаторы с малой полосой пропускания резонатора A f или большой добротностью Q.

Амплитудный шум автогенератора

В некоторых радиосистемах, где информация содержится в изменении амплитуды колебаний, важен амплитудный шум. Поскольку основным источником шума является транзистор, то для снижения амплитудного шума автогенератора нужно уменьшать спектральную плотность S_r, определяемую выражением (4.20). С этой целью следует выбирать транзистор с малым коэффициентом шума N_m и малой критической частотой фликкер-шума Амплитуду колебаний в стационарном режиме можно найти, например, решая уравнение (4.12). Графический способ решения представлен на рис. 4.16.

Из рис. 4.16 сдедует, что при флуктуациях G_K0U изменение амплитуды тем меньше, чем больше модуль крутизны зависимости G_HCV(U_K1). Таким образом, амплитудный.

1 _Г

шум можно уменьшать, увеличивая ^QU|«' путем выбора.

Рис. 4.16. Определение амплитуды колебаний в стационарном режиме

режима работы транзистора. Следует отметить, что увеличение добротности резонатора, снижающее фазовый шум, никакого влияния на амплитудный шум не оказывает.