малошумящий усилитель — 10 соображений по проектированию
Основной функцией усилителя с низким уровнем шума является усиление сигналов малой мощности. В электронном микрофоне сообщение может быть либо напряжением, либо током, переменным w.r.t. Время. Как и все усилители, малошумящий усилитель также представляет собой двухпортовую схему. Он потребляет электроэнергию для увеличения амплитуды входного сигнала. Это приводит к более высокому пропорциональному выходному сигналу.
В этой статье обсуждаются десять практических соображений, которые следует иметь в виду при проектировании LNA.
Содержание
| Глава 1 Показатель низкого уровня шума обеспечивает лучшую производительность LNA | Глава 2 Вам понадобятся три параметра для расчета коэффициента усиления мощности усилителя |
| Глава 3 Справочная информация о линии электропередачи | Глава 4 Коэффициент отражения в случае идеального соответствия импеданса равен нулю |
| Глава 5 Соответствующие коэффициенты отражения в радиочастотной сети | Глава 6 Вы можете классифицировать LNA по ее S-параметрам |
| Глава 7 Использование MAG в качестве предварительного критерия отбора для 2-портовых LNA | Глава 8 Усиление датчика |
| Глава 9 Стабильность является основным соображением | Глава 10 Более подходящее значение импеданса |
| Глава 11 Резюме |
Конструкция усилителя с низким уровнем шума – показатель низкого уровня шума обеспечивает лучшую производительность LNA.
Усилители с низким уровнем шума являются жизненно важными компонентами в нескольких устройствах. Некоторые из них являются радиосвязью, медицинскими инструментами и электронными испытательными машинами.
Типичный малошумящий усилитель может обеспечить коэффициент усиления мощности 100 (+20 децибел). Одновременно он может снизить отношение сигнал/шум до 3 дБ (менее чем в два раза). Сигналы значительно выше уровня шума могут вызывать интермодуляционные искажения.
Компоненты сигнальной цепи ухудшают отношение сигнал/шум (SNR), показатель шума относится к этой деградации. Это числовое значение, определяющее производительность усилителя. Более низкие значения коэффициента шума означают лучшие результаты от усилителя с низким уровнем шума. В терминах децибел показатель шума такой же, как и коэффициент шума.
Конструкция усилителя с низким уровнем шума — для расчета коэффициента усиления мощности усилителя вам понадобятся три параметра.
Отличительная особенность в схеме усилителя более значительна, чем единичный коэффициент усиления мощности. Проще говоря, коэффициент усиления усилителя — это отношение его выходной мощности к входу. Малошумящий усилитель (LNA) уменьшает дополнительный шум, что является побочным эффектом использования динамиков. Чтобы достичь этого, дизайнеры должны учитывать несколько вещей в своих конструкциях печатных плат / схем. Некоторые из них включают в себя выбор компонентов с низким уровнем шума и согласование импеданса.
Для расчета усиления мощности усилителя понадобятся значения 3 параметров. Параметры:
1. Коэффициент усиления мощности преобразователя
Это указывает на преимущества усилителя вместо использования источника для прямого управления той же нагрузкой. Часто малошумящий усилитель сопряжен с причиной. Таким образом, коэффициент усиления мощности преобразователя равен коэффициенту усиления рабочей мощности.
2. Увеличение рабочей мощности
В двухпортовой сети питание рассеивается на нагрузку. Отношение этой рассеивающей мощности к входной мощности является коэффициентом усиления рабочей мощности.
3. Максимальная доступная мощность/усиление (MAG)
PLM= Самая высокая доступная средняя мощность при нагрузке (выходе).
PSM= Максимальная мощность доступна в источнике.
MAG — это соотношение PLM и PSM.
Значение этих параметров зависит от многих факторов, таких как нагрузка, вход, выход и источник. Коэффициент отражения и S-параметры также необходимы для получения вышеуказанных значений.
Фон линии электропередачи
Линия передачи — это проводящая среда, которая переносит сигналы на огромные расстояния. Потеря или искажение является наименьшим (часто незначительным).
Рассмотрим импеданс нагрузки ZL и импеданс источника ZS. Напряжение (или мощность) — это сумма падающих и отражающих волн. Они движутся в противоположных направлениях по линии импеданса характеристики передачи (Z0).
Если ZL не равен Z0, нагрузка отражает некоторые падающие волны в сторону источника. Процесс продолжается в виде неопределенной петли в линиях электропередачи без потерь.
Коэффициент отражения в случае идеального соответствия импеданса равен нулю
Коэффициент отражения — это отношение падающей волны и отраженной волны. Соображение равно нулю, когда сопротивление нагрузки равно характеристическому импедансу. Это комплексное число, с величиной и углом в полярной форме.
Если разница между двумя импедансами огромна, мы можем ожидать большой степени рефлексии. Отражение пропорционально коэффициенту отражения в усилителе с низким уровнем шума.
Соответствующие коэффициенты отражения в радиочастотной сети
Коэффициент отражения источника и коэффициент отражения нагрузки являются терминами, используемыми в радиочастотных сетях. Они такие же, как и импеданс источника и нагрузки для усилителей с низким уровнем шума.
В графиках волнового потока можно представлять падающие и отражающие волны. Построение графа потока с использованием линейных отношений внутри сетевых переменных. Это обеспечивает быстрое построение функции передачи между 2 точками сети.
Узлы в графе потока представляют различные переменные. Независимые переменные связываются с зависимыми через разные пути. Значение коэффициента усиления присваивается функции path, оно относительно коэффициента отражения соответствующих переменных.
Вы можете классифицировать LNA по его S-параметрам
S-параметры или параметры рассеяния имеют важное значение в конструкциях малошумящий усилитель. Они описывают линейные характеристики сети под действием электрических сигналов.
Совпадающие нагрузки славятся изучением S-параметров. Основной причиной является простота использования высоких частот сигнала. Современные векторные анализаторы цепей вычисляют амплитуду и фазу фаз волновых фазоров.
Вы можете выразить электрические свойства нескольких встроенных компонентов с помощью S-параметров. Компоненты могут включать:
Параметры могут показывать такие характеристики, как усиление, возвратный убыток, VSWR, коэффициент отражения или стабильность. Понимание матричной алгебры имеет важное значение для понимания S-параметров. Параметры следуют этим законам алгебры.
Используйте MAG в качестве предварительного критерия отбора для 2-портовых LNA.
MAG указывает на самый высокий теоретический прирост мощности, который вы можете получить от устройства. Исходные и импедансные нагрузки согласуются. MAG является важным свойством для 2-портовых ВЧ-усилителей. Обратный перевод допускается ноль. Правильное определение смотрите выше.
В двухпортовой сети MAG может показывать доступные уровни усиления усилителя с низким уровнем шума. Таким образом, мы можем оценить, подходит ли ЛНА для этой задачи. Именно поэтому MAG является основным критерием скрининга для радиочастотных, LNA и микроволновых сетей.
Больше коэффициент усиления преобразователя
Наиболее распространенным термином усиления в конструкции ВЧ-усилителя является коэффициент усиления преобразователя. Согласно определению, соотношение между выходной мощностью от источника к нагрузке и самой высокой мощностью источника. Коэффициент усиления преобразователя включает в себя несколько компонентов:
1. Мы можем вводить и выводить результат согласования импеданса.
2. Суммарный коэффициент усиления усилителя за счет LNA.
Одной из функций этого параметра является сведение следующей матрицы схемы в 2×2. Это матричное уменьшение помогает в измерении и расчете, резистивные потери среди компонентов схемы происходят на протяжении всего процесса. Пренебрегайте ими при расчете коэффициента усиления преобразователя.
Стабильность является основным соображением
Стабильность, или устойчивость к колебаниям, является важным фактором при проектировании LNA. Некоторые параметры полезны при определении стабильности малошумящих усилителей. К ним относятся S-параметры, совпадающие сети и терминации.
Три явления ответственны за нестабильность в усилителе. К ним относятся:
1. Внутренняя обратная связь транзистора.
2. Причина может быть связана с внешней схемой, внешним транзисторным входом.
3. Ненужное усиление за пределами необходимой полосы частот работы.
Было бы полезно, если бы вы рассчитали коэффициент стабильности Роллетта (
) с использованием заданных S-параметров. Определитель матрицы, наряду с коэффициентом устойчивости, может определять стабильность. Усилитель стабилен только тогда, когда
больше 1. Кроме того, значение определителя не должно превышать единицы.
Конструкция усилителя с низким уровнем шума – более подходящее значение импеданса
Диаграмма Смита необходима для проектирования согласующих импедансных сетей. Линии передачи изменяют свойства импеданса с помощью микрополосковых линий, эти линии имеют различные характерные импедансы. Они также могут преобразовывать значение любого резистора.
Существует два типа согласующих сетей:
1. Входная сеть сопоставления: Они полезны для уменьшения шумового воздействия. Он сопоставляет вход транзистора с источником. Таким образом, мы можем получить коэффициент шума как можно ближе к наименьшему возможному шуму.
2. Выходная согласующая сеть: Эта сеть сопоставляет выход транзистора с нагрузкой. Таким образом, система обеспечивает наибольший потенциальный выигрыш — максимизирующая мощность.
Сводка
Мы надеемся, что приведенное выше руководство было полезным. Эти соображения необходимы для правильной конструкции усилителя с низким уровнем шума.
Входной сигнал с более низким коэффициентом шума получит лучшее усиление через LNA. Сигналы значительно выше уровня шума будут сталкиваться с интермодуляционными искажениями. Коэффициент усиления мощности преобразователя, рабочий коэффициент усиления, MAG необходимы для поиска усиления усилителя. Остальные жизненно важные – это S-параметры, коэффициенты устойчивости и отражения. Различные значения импеданса могут вызывать отражения волн. Коэффициент отражения равен 0 при совпадении импедансов.
Эксперты советуют в зависимости от надежной компании сделать ваши пользовательские конструкции печатных плат. Свяжитесь с нами для оценки вашего индивидуального дизайна печатных плат.
Hommer Zhao
Привет, я Хоммер, основатель WellPCB. На сегодняшний день у нас более 4000 клиентов по всему миру. Если у вас возникнут какие-либо вопросы, вы можете связаться со мной. Заранее спасибо.
малошумящего усилителя- 7 советов, которые нужно знать
Захватывающий новый дизайн rf front-end высокопроизводительных радиочастотных (RF) приемопередатчиков обеспечивает лучшую из убедительных технологий. Вообще говоря, если вы планируете улучшить его только за счет увеличения ширины транзистора или напряжения питания, это создаст проблемы проектирования. Вам может понадобиться больший размер печатных плат, и будет больше энергопотребления. В этой статье мы представим советы по конструкции малошумящего усилителя (LNA) для ВЧ-приемников/трансиверов.
Мы поможем вам изготовить печатные платы LNA, которые дают максимальную производительность, работая при низком энергопотреблении.
Содержание
| Глава 1 Конструкция схемы усилителя с низким уровнем шума с низким уровнем шума | Глава 2 Рассчитайте коэффициент шума и получите метрики производительности |
| Глава 3 Использование малошумящего усилителя с низким уровнем шума | Глава 4 Использование устройств поверхностного монтажа в печатной плате усилителя с низким уровнем шума |
| Глава 5 Выберите подходящий материал печатной платы для схемы усилителя с низким уровнем шума | Глава 6 Проектирование печатной платы в соответствии с требованиями высокочастотных сигналов |
| Глава 7 Достижение жесткой схемы согласования импеданса усилителя с низким уровнем шума | Глава 8 Резюме |
Проектирование схемы усилителя с низким уровнем шума и низким уровнем шума
Было бы полезно, если бы вы придумали инновационные схемы усилителя с низким уровнем шума, чтобы уменьшить его мощность и потребление напряжения. Малошумящий усилитель усиливает мощность сигнала антенны, следя за тем, чтобы шум был меньше. Это обеспечило бы достаточную выгоду, чтобы преодолеть шум следующих этапов.
Как правило, схема LNA имеет блоки согласования входного и выходного импеданса с блоком усиления между ними. Вы должны убедиться, что проверили ограничения усиления вашего rf-интерфейса, а затем соответствующим образом минимизировали коэффициент шума. Например, может быть ограничение, что максимально достижимое усиление составляет 20 дБ при радиочастотной частоте 2,4 ГГц.
Мы бы порекомендовали вам спроектировать линейный усилитель шума с индукторами. Они являются реактивными, и, следовательно, они не будут создавать никакого шума в вашей печатной плате. Это факт, что резонанс LC всегда повышает шумовые характеристики и усиление LNA.
Вычисление коэффициента шума и показателей прироста производительности
Итак, мы только что сказали вам, чтобы сохранить коэффициент шума печатной платы низким. Но как вы можете убедиться, что он низкий? Вам нужно будет вывести формулу, а затем выполнить анализ. Как правило, вы получаете показатель шума и получаете показатели производительности, чтобы проверить активность вашей печатной платы LNA.
Обычно вы можете рассчитать коэффициент усиления любой схемы LNA, выведя формулу, которая включает импеданс нагрузки и эффективную транспроводимость транзисторов. Для показателя шума можно использовать следующую общую формулу для анализа:
Используйте многослойную печатную плату с малошумящего усилителя.
Важно отметить, что малошумящий усилитель PCB будет работать на радиочастоте. Поэтому, если вы будете проектировать 4-слойную компоновку печатной платы, она будет поддерживать постоянную плоскость земли. Это также позволит распределить радиочастотную развязку области питания постоянного тока между двумя основными слоями плоскости земли.
Компоновка печатной платы схемы усилителя с низким уровнем шума требует общей контрольной точки ВЧ. Это точка заземления РЧ для всех радиочастотных сигналов от входного или выходного порта. Добавив общую основу, вы убедитесь, что все точки находятся в одном потенциале.
В 4-слойной конструкции печатной платы можно установить одну плоскость питания, две плоскости земли и один слой трассировки цепи. Кроме того, было бы полезно, если бы вы адекватно спроектировали форму и ширину следов меди. Это уменьшит распределенную индуктивность, емкость и сопротивление в цепи усилителя с низким уровнем шума.
4-слойная печатная плата также позволит вам получить управляемый размер линии микрополоски. Линия микрополоски представляет собой высокопроводящий металлический бегунок на печатной плате ВЧ диапазона. Вы можете связаться с производителем печатной платы для расчета таких параметров, как диэлектрическая проницаемость, вес меди, данные о материале, толщина сердечника и стандартный стек слоев. Используя эту информацию, вы можете легко сопоставить линию микрополоски с требуемым значением импеданса. Наконец, было бы полезно, если бы вы разработали полные следы смещения, чтобы уменьшить сопротивление пути.
Использование устройств поверхностного монтажа в печатной плате усилителя с низким уровнем шума
Технология поверхностного монтажа — это способ, с помощью которого вы непосредственно монтируете электрические компоненты на печатную плату. Если вы используете устройства поверхностного монтажа, вы получите более короткие медные следы и меньшие размеры печатных плат усилителя шума. И в радиочастотной цепи это уменьшит паразитное сопротивление и емкость.
Кроме того, было бы полезно, если бы вы сохранили соединения между компонентами поверхностного монтажа и заземлением короткими. Он заключается в уменьшении импеданса. Вы также можете сделать это, спроектировав два или три параллельных прохода на плоскости земли.
Другим важным моментом является определение температурного диапазона тестирования вашей схемы усилителя с низким уровнем шума. Компоненты поверхностного монтажа должны работать в этом температурном диапазоне. Кроме того, вы можете использовать банановые разъемы для подключения напряжения смещения, заземления и питания. Для получения радиочастотного подключения вы можете использовать разъемы SMA в печатной плате усилителя с низким уровнем шума. Помимо небольших размеров, они предлагают широкий частотный диапазон и высокую надежность.
Малошумящего усилителя – выберите подходящий материал печатной платы для схемы усилителя с низким уровнем шума
Приемлемый материал печатной платы может помочь в разработке вашего усилителя с низким уровнем шума. Это смягчит уровень тепла на ограничениях усилителя, таких как коэффициент шума и усиление. В целом, выбор печатных плат может внести значительный вклад в максимальный уровень производительности вашей конструкции LNA.
Было бы полезно, если бы вы рассматривали различные свойства материала печатной платы в качестве кандидата на проектирование малошумящего усилителя. Эти параметры включают коэффициент рассеивания (Df), диэлектрическую проницаемость (DK или εr), теплопроводность, температурный коэффициент Dk и допуск на толщину подложки.
Например, вы должны строго регулировать Dk материала печатной платы по всему материалу, чтобы добиться жесткого согласования импеданса. Было бы полезно, если бы у вас часто было так, чтобы поддерживать низкие показатели шума усилителя. Кроме того, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости (Tc Dk) также влияет на эти показатели шума и сети согласования импеданса.
Малошумящего усилителя – проектирование печатной платы в соответствии с требованиями высокочастотных сигналов
Всегда помните, что вы имеете дело с высокочастотными сигналами в вашей цепи небольшого усилителя шума. Печатная плата будет работать в радиочастотном диапазоне, поэтому вы должны спроектировать ее соответствующим образом. Как мы уже обсуждали, для уменьшения помех необходимо использовать многослойную плату. Шум четырехслойной плиты на 20 дБ меньше, чем у двухпанельной платы с тем же материалом. В то же время, однако, существует также опасение, что производство будет более сложным. Стоимость будет выше, и вам понадобятся экспертные знания для разработки макета печатной платы.
Радиочастотные сигналы в цепи усилителя с низким уровнем шума не должны развивать петлю во время проводки. Если вы не можете избежать этого, вы можете убедиться, что он как можно меньше. Также следует обратить внимание на перекрестные помехи, которые могут развиваться на близком расстоянии до параллельных сигнальных линий. Перекрестные помехи — это нежелательный шумовой сигнал среди радиочастотных сигналов из-за помех близлежащих электромагнитных полей.
Существуют различные методы, позволяющие избежать перекрестных помех. Можно попробовать соединить параллельные линии в один слой в перпендикулярном и разных слоях. Кроме того, вы должны использовать меньшее количество вибраций в конструкции усилителя с низким уровнем шума. Это увеличит скорость и уменьшит количество ошибок данных. Наконец, пожалуйста, держите провода между контактами короче. Это делается для того, чтобы избежать связи с компонентами из-за более длинных проводов радиочастотного сигнала.
Достижение жесткой схемы согласования импеданса вашего малошумящего усилителя
Это помогло бы, если бы вы попытались получить жесткую схему согласования импеданса для вашего усилителя с низким уровнем шума. Он учитывает оптимальные шумовые характеристики, фильтрацию и обеспечивает стабильность ввода и вывода. Пассивные элементы, такие как резисторы, ленточные линии, конденсаторы и индукторы, составляют схему согласования.
Допуски материала печатной платы, такие как толщина меди и допуски по ширине проводника, влияют на эту схему. Если есть какие-либо проблемы, связанные с изготовлением схем, это также повлияет на ваши схемы согласования импеданса. Размер этих допусков зависит от конкретной конструкции системы LNA.
Например, допуск на толщину меди оказывает более значительное влияние на соединительные структуры, такие как копланарные цепи.
С другой стороны, речь идет о влиянии на ширину и толщину проводника контура подложки. Более тонкие каналы отображают более значительную регулировку импеданса, чем более толстые курсы, для увеличения ширины проводника.
Допуск DK является еще одним параметром для печатной платы, который может влиять на ваши сети согласования импеданса, необходимые в конструкциях LNA.
Сводка
Итак, вот несколько советов, которым вы можете следовать, чтобы правильно спроектировать свою схему усилителя с низким уровнем шума. Вам нужны правильные сети согласования импеданса, материал печатной платы, слои печатной платы, схемы смещения, коэффициент шума и усиление. Вы можете обеспечить качественный дизайн, спроектировав печатную плату усилителя с низким уровнем шума в соответствии с требованиями радиочастотных сигналов.
Если вам нужен правильный поставщик услуг печатной платы. К счастью, существуют различные услуги по производству печатных плат, вы можете связаться с нами, и мы можем предоставить технологии, материалы и качественные услуги. Свяжитесь с нами прямо сейчас.
Hommer Zhao
Привет, я Хоммер, основатель WellPCB. На сегодняшний день у нас более 4000 клиентов по всему миру. Если у вас возникнут какие-либо вопросы, вы можете связаться со мной. Заранее спасибо.
Малошумящие усилители и улучшение их характеристик на современном этапе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Досимбаев Е.Б., Ракишев Ж.Б., Ергалиев Д.С.
Уменьшение потерь в приемном тракте является актуальной задачей и требует детальной проработки, процесс снижения омических потерь в малошумящих усилителях является не исключением. В данной статье рассматривается методы для управления физической температурой МШУ, улучшение его характеристик. В основу были взяты решения, для наиболее используемых в приемных трактах типов усилителей: для параметрического усилителя и усилителя на полевых транзисторах.Использование данных методов позволит существенно сократить шумовую температуру усилителя, увеличить технические показатели прибора
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Досимбаев Е.Б., Ракишев Ж.Б., Ергалиев Д.С.
Обзор технологий получения покрытий на титане и его сплавах методом плазменного электролитического оксидирования
Монолитные интегральные схемы малошумящих усилителей КВЧ-диапазона на GaAs рНЕМТ-гетероструктурах
Экспериментальные исследования электрических характеристик арсенид-галлиевых МИС малошумящего усилителя и двухпозиционного коммутатора собственного производства для аппаратуры автономной радионавигации космических аппаратов
Проектирование и испытания pHEMT GaAs МИС коммутируемого по входу МШУ собственного производства для аппаратуры автономной радионавигации КА
Структурно-параметрический синтез СВЧ транзисторных усилителей на основе генетического алгоритма с использованием моделей монолитных элементов
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Малошумящие усилители и улучшение их характеристик на современном этапе»
11. Lukiyanchuka I.V., Papynov E.K., Rudneva V.S., Avramenkoa V.A., Chernykh I.V., Tyrina L.M., Ustinov A.Yu., Kuryavyia V.G., Marinin D.V. Oxide layers with Pd-containing nanoparticles on titanium// Applied Catalysis A: General 485 — 2014, р.р 222-229.
12. Ракоч А.Г., Стрекалина Д.М., Гладкова А.А. Износостойкие покрытия на титановом сплаве ВТ6, получаемые методом ПЭО // Цветные металлы. -2016. — №2. — C. 80-84.
13. Ракоч А.Г., Гладкова А.А., Монахова Е.П., Стрекалина Д.М. Плазменно-электролитическое оксидирование и плазменно-термохимическая обработка изделий из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов // Тезисы III международной конференции «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии». — ИФХЭ РАН. — 18-20.04.2016. — С.7-9.
14. Gladkova A., Rakoch A,. Savva V, Strekalina D. Kinetic features of wear-resistant coating growth on titanium alloy formed in alkaline-aluminate solution by plasma electrolytic oxidation // 5th International Conference on Electrochemical and Plasma Electrolytic Modification of Metal Surfaces. — Kostroma, Russia. — May 16-20, 2016. — P.47.
15. Стрекалина Д.М., Ракоч А.Г., Ермакова М.В. Кинетические особенности роста толщины износостойкого покрытия на сплаве ВТ6 при его микродуговом оксидировании // Тезисы III международной конференции «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии». — ИФХЭ РАН. — 18-20 апреля 2016. — С.51.
16. Ракоч А.Г., Стрекалина Д.М., Суяргулова Р.И. Кинетические особенности роста толщины покрытий при плазменно-электролитическом оксидировании сплава ВТ6 и Д16 // Ежемесячный научный журнал по материалам XVII Международной научно-практической конференции «Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия». — 2015. — № 9 (16). — С.110-113.
17. Ракоч А.Г., Стрекалина Д.М. Создание декоративных черных износостойких покрытий методом ПЭО на деталях медицинского назначения // Тезисы докладов II Международной конференции «Инжиринг & Телекоммуникации — En&T 2015». — 2015. — №1. — С.295-297.
18. Михеев А.Е., Гирн А.В., Орлова Д.В., Вахтеев Е.В., Трушкина Т.В. Влияние технологических параметров на элементный состав микродугового оксидирования покрытий на аюминиевых и титановых сплавах//Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика Решет-нева М. Ф., 2012 -168-172 с.
19. Казанцев И.А., Кривенков А.О., Розен А.Е., Чугунов С.Н. Износостойкость композиционных материалов на основе титана, полученных микродуговым оксидированием// Технические науки. Машиностроение и машиноведение. -2008. -№ 1. -С. 159-164.
20. Гордиенко П.С., Достовалов В.А., Жевтун И.Г., Шабалин И.А. Микродуговое оксидирование при импульсной поляризации в гальванодинамическом режиме //Электронная обработка материалов, 2013, 49(4), С. 35-42.
21. Пат. Гнеденков С.В., Коваль С.Я., Чижиков Р.Г., Синебрюхов С.Л., Машталяр Д.В. Способ плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов. 2 440 445(13) С1. МПКC25D 11/00. Опубл. : 2 0.01.2012 Бюл. № 2.
22. Гнеденков С.В., Вовна В.И., Гордиенко П.С., Синебрюхов С.Л., Чередниченко А.И., Щукарев А.В. Химический состав антифрикционных покрытий, полученных методом микродугового оксидирования на сплаве титана ВТ16 // Защита металлов. — 2001. — Т. 37, № 2. — С. 192-196.
23. Электролит для получения черного керамического покрытия на вентильных металлах и их сплавах, способ его получения и покрытие, полученное данным способом: пат. 2285066 Рос. Федерация; опубл. 10.10.06.
24. Preparation method of black high-temperature oxidation resistant coating positioned on surface of titanium alloy: pat. 103060881 CN; publ. 03.07.13.
25. Способ получения покрытий: пат. 2238351 Рос. Федерация; опубл. 20.10.04.
26. Электролит для микродугового оксидирования титана и его сплавов: пат. 1788793 Рос. Федерация; опубл. 27.05.96.
27. Wang Y.M., Jiang B.L., Lei T.Q., Guo L.X. Microarc oxidation coatings formed on Ti6Al4V in Na2SiO3 system solution: Microstructure, mechanical and tribological properties // Surface & Coatings Technology. 2006. Vol. 201. P. 82-89.
28. Chen Fei, Zhou Hai, Chen Chen, Xia Yangjian. Study on the tribological perfor-mance of ceramic coatings on titanium alloy surfaces obtained through microarc oxidation // Progress in Organic Coatings. 2009. Vol. 64. P. 264-267.
29. Шахат С.З., Ж.М.Рамазанова, Ергалиев Д.С. Способы улучшения свойств магниевых сплавов. Надежность и качество. Труды международного симпозиума, г. Пенза, РФ — 23 -31 мая 2016 г., №2, С. 113-115.
30. Нуридинов О.Б., Ж.М.Рамазанова, Ергалиев Д.С. Исследование получения композици-онных покрытий. Надежность и качество. Труды международного симпозиума. 23 -31 мая 2016 г., №2, С. 100-101.
Досимбаев Е.Б., Ракишев Ж.Б, Ергалиев Д.С.
Евразийский Национальный университет им. Л. Н. Гумилева, Астана, Казахстан
МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ И УЛУЧШЕНИЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ
Уменьшение потерь в приемном тракте является актуальной задачей и требует детальной проработки, процесс снижения омических потерь в малошумящих усилителях является не исключением. В данной статье рассматривается методы для управления физической температурой МШУ, улучшение его характеристик. В основу были взяты решения, для наиболее используемых в приемных трактах типов усилителей: для параметрического усилителя и усилителя на полевых транзисторах.Использование данных методов позволит существенно сократить шумовую температуру усилителя, увеличить технические показатели прибора
МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ (МШУ), ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА, ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, КРИОГЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ, ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ
В приемную подсистему станции всегда входит средних антеннах), или соединяется через волно-предварительный усилитель с низким внутренним вод с малыми потерями, обычно «лучеводного» типа шумом, обычно называемый МШУ (малошумящий уси- [1]. Используются также волноводы увеличенного литель). Имея в виду, что каждые 0,1 дБ потерь размера (металлические).
в фидере добавляют 70К к общей шумовой темпера- В настоящее время в приемных подсистемах
туре приемника, этот малошумящий усилитель дол- станций используются два основных типа МШУ: пажен соединяться с приемным портом антенно-фидер- раметрические и на полевых транзисторах (ПТ — с ного ВЧ тракта линией связи с очень малыми по- полевым эффектом). Оба усилителя могут эксплуа-терями: на практике МШУ или непосредственно при- тироваться при температуре окружающей среды, но, крепляется к порту фидерного тракта (в малых или если необходимо, можно получить более хорошие
характеристики по шумам путем уменьшения физической температуры наиболее чувствительных компонентов МШУ (путем охлаждения), что уменьшает омические потери этих компонент[2].
Параметрическое усиление достигается путем использования полупроводникового диода с обратным смещением, варактора, емкость которого изменяется при подаче напряжения . Если на этот варактор подается напряжение от гетеродина «накачки» на частоте fp много выше частоты сигнала fs, схема ведет себя как отрицательное сопротивление, и входной сигнал усиливается. Следует отметить, что так называемый «холостой сигнал», который генерируется при этом процессе на частоте ^ = Гр — должен быть подавлен. По-
скольку параметрический усилитель является усилителем отражательного типа, отраженный (усиленный) сигнал должен быть отделен от входного сигнала. Это отделение может быть выполнено ферри-товым циркулятором.
На рис. 1 показан вид реального параметрического усилителя в разрезе.
В данном случае варактор укреплен на волноводе, что позволяет пропустить только частоту накачки, а частота сигнала подается от отдельной коаксиальной схемы. Резонансная схема холостого сигнала образуется коротким замыканием коаксиальных схем, которые расположены напротив настроенного на частоту сигнала контура. Для развязки входного и выходного сигналов к верхней части коаксиальной схемы присоединен циркулятор.
Произведение усиления напряжения на полосу параметрического каскада прямо связано с полосой ВЧ контуров (настроенных на частоту сигнала и холостую частоту).
В процессе параметрического усиления задействованы только реактивные компоненты, так что теоретически шумов внутреннего происхождения возникать не должно. Фактически варактор представляет собой резистивный элемент, который генерирует некоторый шум.
Рисунок 1 — Параметрический усилитель
Для получения сигналов накачки на очень высокой частоте (например, на 60 ГГц) обычно используются твердотельные генераторы, такие как генераторы на диодах Ганна[3].
Для управления физической температурой МШУ предлагаю использовать различные способы:
1). Криогенное охлаждение.
Обычно в качестве примера приводят охлаждающую систему на газообразном гелии, которая позволяет охлаждать до температуры 20К (-253°С). Несмотря на ее высокие технические показатели (Те=15К на 4 ГГц), на современных станциях такие системы охлаждения применяются редко, ввиду их сложности (особенно в обслуживании), большого объема и высокой стоимости.
2). Термоэлектрическое охлаждение.
Термоэлектрическое охлаждение на диодах с эффектом Пельтье гораздо проще и позволяет эффективно охлаждать чувствительные к температуре компоненты МШУ до примерно -50°С. Применяя ва-ракторы с высоким 0 и выпускаемые сейчас сверхвысокочастотные генераторы накачки, можно получить охлаждение до низких температур — до Те=35-40К на 4 ГГц и до 80 -100 К на 11 -12 ГГц.
Так как устройства термоэлектрического охлаждения не содержат движущихся элементов (в отличие от устройств криогенного охлаждения) и могут непосредственно соединяться с МШУ (в герметически изолированном корпусе), это решение обеспечивает высокое качество в сочетании с надежной работой и удобным обслуживанием.
3). Температурная компенсация.
Если приемлемы умеренные показатели по шумам (например, Те=50К на 4 ГГц и 100 -150К на 11 -12 ГГц), можно обойтись без термоэлектрического охлаждения и заменить его более простыми системами, позволяющими работать со стабильным качеством в нормальном диапазоне температур окружающей среды[4].. Одним из важных преимуществ таких систем является то, что проблемы, связанные с утечкой газа упрощаются, что повышает надежность.
На рис.2 показана типичная блок-схема современного параметрического МШУ с тремя каскадами усиления (1-й каскад — параметрический, с термоэлектрическим охлаждением; 2-й каскад — параметрический, с температурной компенсацией; 3-й каскад — на полевом транзисторе).
Рисунок 2 — Типичная блок-схема современного параметрического МШУ
Биполярные транзисторы известны своими сложными механизмами, появления шумов (дробовый шум и т. д.) и относительно плохими показателями по шумовой температуре на высоких частотах (например, выше 1 ГГц).
Напротив, в транзисторах с полевым эффектом шум является в основном тепловым и может быть уменьшен соответствующим выбором полупроводникового материала и путем использования микронной и субмикронной технологий изготовления для послойной обработки полупроводников и для электродного травления.
В последние годы был достигнут существенный прогресс в производстве транзисторов с полевым эффектом (ПТ) на арсениде галлия (GaAs) для получения малошумящих приборов на СВЧ. Шумовая температура, которая раньше достигалась только в параметрических усилителях, в настоящее время получается в ПТ на GaAs при значительно меньшей суммарной стоимости и меньших размерах.
Кроме того, ПТ на GaAs обладают другими преимуществами в сравнении с параметрическими усилителями. Они являются усилителями передаточного типа (в противоположность параметрическим усилителям отражательного типа с отрицательным сопротивлением) и потому более стабильны, менее критичны к полному сопротивлению схем и могут быть оптимально настроены для работы в более широких полосах. Они питаются от источников постоянного тока (в отличие от сверхвысокочастотных генераторов накачки мощности, требующихся для параметрических усилителей).
Типичный ПТ на GaAs изготавливается из эпи-таксиального слоя GaAs типа п толщиной 0,3 мкм, выращенного на полуизолирующей подложке на GaAs, в котором используются три пленарных электрода: истоковая область, затвор и стоковая область. Поток тока между истоковой областью и стоковой управляется напряжением на вентиле на барьере Шоттки. Шум уменьшается путем использования свойства высокой мобильности электронов (что
1. Букингем М. Шумы в электронных приборах и системах — М.: Мир. 1986.
2. A. A. Andreev, M. L. Zanaveskin, I. O. Mayboroda, et al., J. Radio Electronics, No. 1 (2014); http://jre.cplire.ru/jre/jan14/4/text.html
3. L. Shen, S. Heikman, B. Moran, et al., Electron Device Lett. 457 (2002).
4. K. V. Kalashnikov, A. V. Khudchenko, and V. P. Koshelets, Bull. Rus. Acad. Sci. Physics , 28 (2013).
5. V. F. Vdovin, A. I. Eliseev, I. I. Zinchenko, et al., J. Communications Technology and Electronics 50 (2005)
6. Г. А. Аванесов, Б. С. Жуков, Е. Б. Краснопевцева, М. М. Железнов, Препринт № 2128 (Институт космических исследований РАН, Москва, 200 6)
7. Жиганов А.Н. Меньшиков В.А. Радиотехнические системы специального назначения . Часть 1. Радиотехнические системы обеспечения космической информацией. М.: 2003 г.
имеет место в случае GaAs) и очень маленьких размеров электродов (длина затвора около 0,25 мкм).
Шум в ПТ носит преимущественно тепловой характер, что позволяет уменьшить шумовую температуру усилителя путем уменьшения его физической температуры с использованием тех же методов, что и в параметрических усилителях. По методу 2 (термоэлектрическое охлаждение) достигается шумовая температура порядка 50К на 4 ГГц и 120 -150К на 11 -12 ГГц. По методу 3 (температурная компенсация) получаемые в настоящее время показатели — это 75К на 4 ГГц 210К на 11 -12 ГГц и 300К на 20 ГГц.
3,8 3,9 4.0 4,1 Частота сигнала (ГГц) Л: неохлаждаемый (25°С)
В: термоэлектрическое рхлаждеиие (-45°С) С: охлаждение газообразным гелием (20 К)
Рисунок 3 — Характеристики МШУ с различным типом охлаждения
8. Наземный комплекс управления орбитальной группировкой КА гражданских спутниковых систем связи и вещания государственного назначения. Кн. 3,4. ФГУП «РНИИ КП», 2002.
9. Аболиц А. И. Системы спутниковой связи. Основы структурно-параметрической теории и эффективность. М.: ИТИС, 2004г.
10. Ергалиев Д.С., Саханов К.Ж. Постановка задачи контроля состояния систем бортового комплекса оборудования воздушных судов. Надежность и качество-2 0 0 9: Международный симпозиум.- Пенза, 2009., том 1. -С.34-35.
11. Ергалиев Д.С., Тулегулов А.Д., Ахмадия А.А. Аксиоматическая постановка задачи для формирования математической модели диагностики бортовых комплексов оборудования воздушных судов. Надежность и качество-2 012: Международный симпозиум.- Пенза, 2012., том 1. — С.198-201.
Калашникова К.А., Орлова Д.Р.
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА), Москва, Россия
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЛАНИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ АВИАКОМПАНИИ
В данной работе раскрывается необходимость автоматизации процессов управления и планирования работой авиакомпании, ориентированной на использование технологий больших данных и систем машинного обучения . проведен анализ специализированных систем, внедренных в авиакомпаниях. Показано, как осуществляется контроль над бизнес-процессами в процессе работы и описывается значимость и роль информационных систем в авиакомпаниях.
БИЗНЕС-ПРОЦЕССЫ, АВТОМАТИЗАЦИЯ, АВИАКОМПАНИИ
Скорость развития информационных технологий и современных тенденций позволяют уже сегодня говорить о том, что именно уровень обеспеченности авиакомпании информационными системами управления бизнес-процессами определяет показатели эффективности ее роста.
С каждым годом авиакомпании тратят значительные средства на покупку новых самолетов, найм персонала. Следствием становится увеличение организационной структуры, появление новых отделов и подразделений. Чтобы на должном уровне вести учет и самолетов, и персонала, и расходов на текущую деятельность, необходима качественная компьютерная техника, переход на ведение учета в автоматическом или автоматизированном формате.
Авиацию можно представить в виде совокупности определенных бизнес-процессов. И в условиях XXI века их полноценное функционирование невозможно, если не идти по пути автоматизации. В первую очередь автоматизация должна затрагивать такие сферы, как планирование работы, управление текущей деятельностью подразделений. Во многом качество работы автоматизированной системы определяется правильностью выбора программного обеспечения, его соответствием целям и задачам авиаперевозкам. От того, какое ПО выбрано, будет зависеть и выбор систем, позволяющих планировать бизнес-процессы и управлять ими.
Современная доступность всевозможных средств информационного обеспечения управленческих процессов в авиационной индустрии радикально изменила отношение к бизнесу и самим бизнес-процессам в ней. Таким образом, инструментом, который позволяет максимально эффективно и профессионально организовать решение всех бизнес-процессов компании, по праву является автоматизация процессов с помощью большого вида автоматизированных систем.
Сегодня, когда экономика нашей страны переживает достаточно сложные времена, автоматизация бизнес-процессов, в частности процессов планирования и управления, и их защита становится одним из главных способов повышения эффективности принятия управленческих решений любого предприятия, повышения уровня конкурентоспособности, основой для оптимизации расходов в целом.
1. Автоматизация процессов планирования и управления как механизм развития авиакомпании
На текущий момент времени вопросы, касающиеся внедрения комплексных автоматизированных систем управления в организациях вне зависимости от вида деятельности, являются наиболее актуальными и значимыми. Их рассматривают и на уровне конкретной организации, и на уровне министерств. Автоматизация затрагивает практически все имеющиеся бизнес-процессы. В данном случае под бизнес-процессом понимается совокупность действий, операций, работ, результат которых важен, значим
для организации, помогает решить определенную задачу или проблему.
Следует отметить, что авиакомпания является коммерческой организацией, главной целью которой, соответственно, является получение прибыли, и как правило, выживают только те компании, которые умеют наиболее эффективно использовать новейшие технологии по привлечению, а также удержанию своих партнеров и клиентов.
Автоматизированная система управления бизнес-процессами представляет собой совокупность программных и технических средств, предназначенных для управления всеми или выборочными бизнес-процессами, административными регламентами, принятыми в организации. В большинстве случаев внедрение и полномасштабное использование автоматизированных систем помогает наладить взаимодействие между подразделениями одной организации. Используя различные возможности АСУ, можно моделировать бизнес-процессы, исполнять их, мони-торить и контролировать.
Вследствии распространения все большего числа предприятий с усложненной структурой, которые охватывают достаточно широкий спектр производства, сбыта товара и оказания услуг во всех сферах, возникает необходимость систематизировать все бизнес-процессы, тем самым переориентировать предприятие на бизнес-процессный подход и провести его автоматизацию.
В частности, Business Process Management дает возможность разработать концепцию, на основе которой можно управлять текущими бизнес-процессами. Соответственно, организация, авиакомпании не являются исключением, получает возможность повышать производительность труда, снижать издержки и расходы на текущую деятельность. В современных условиях рыночной экономики и наличия множества конкурирующих компаний эти аспекты деятельности являются немаловажными [1].
Система автоматического управления процессами планирования или управления в авиакомпании позволяет собирать данные о работе всех подразделений и рабочих единиц, анализировать полученные данные, касающиеся финансов, операционной деятельности, статистику работы. Основное преимущество подобных систем — возможность формирования отчетов, касающихся любой сферы деятельности организации. Возможна группировка отчетов по определенным показателям, важным для руководства. Так же система позволяет анализировать информацию, полученную из самых разных источников.
Для авиакомпании наиболее важной и сложной работой является организация управления летной работой. Она включает в себя [2]:
планирование летной работы, обеспечение необходимыми ресурсами, выполнение поставленных задач;
обеспечение полетов необходимым персоналом, материалами, и иными необходимыми ресурсами.
Руководство по выбору малошумящего усилителя Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ли Пол
При оценке параметров усилителя для применений, требующих низкого уровня шума, необходимо рассматривать как внутренние, так и внешние источники шумов. В этой статье рассматривается природа внутренних и внешних шумов, а также возможные компромиссы при выборе оптимального усилителя.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ли Пол
Коэффициент шума и логарифмические усилители
Коэффициент шума и логарифмические усилители
Исследование методов подавления шума в интегральных широкополосных МШУ
Малошумящие DC-усилители
Новое семейство прецизионных микросхем компании National Semiconductor
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Руководство по выбору малошумящего усилителя»
Руководство по выбору
Пол Ли (Paul LEE)
При оценке параметров усилителя для применений, требующих низкого уровня шума, необходимо рассматривать как внутренние, так и внешние источники шумов. В этой статье рассматривается природа внутренних и внешних шумов, а также возможные компромиссы при выборе оптимального усилителя.
источники внешнего шума
Внешний шум включает любые типы внешних воздействий, таких как влияние внешних компонентов и помех, вызванных электрическими и электромагнитными полями. Помеха может представлять собой сигнал в виде коротких импульсов, ступенчатых скачков, синусоидальных колебаний или случайного шума. Источником помех может быть что угодно: работающие механизмы, линии электропитания, которые расположены поблизости, радиоприемники или радиопередатчики, компьютеры и даже схемы, входящие в состав того же оборудования, что и элемент, на который воздействует помеха (цифровые схемы или импульсные источники питания). Даже если можно было бы исключить все помехи путем грамотного проектирования и/или разводки печатной платы, то все равно останется случайный шум самого усилителя и компонентов его схемы.
Необходимо учитывать также шум от окружающих компонентов схемы. При температурах выше абсолютного нуля любое сопротивление представляет собой источник шума, который обусловлен тепловым движением носителей заряда и называется шумом Джонсона, или тепловым шумом. Этот шум возрастает при увеличении сопротивления, температуры и полосы частот. Шумовые напряжение и ток описываются выражениями:
где Vn — шумовое напряжение (В); к — постоянная Больцмана (1,38х 10-23 Дж/К); Т — температура в градусах Кельвина (К); В — ширина полосы в герцах (Гц); R — сопротивление в омах (Ом); 1п — шумовой ток в амперах (А).
Типовой шум, генерируемый резистором номиналом 1 кОм при комнатной температуре, составляет примерно 4 нВ/^Гц. При проведении более глубокого анализа
необходимо также учитывать и другие источники шума резистора, такие как шум контактов, дробовой шум и паразитные эффекты, присущие конкретному типу резистора. В статье мы ограничим возможные источники шума резистора только шумом Джонсона и будем считать, что шум резистора пропорционален квадратному корню его номинала.
Реактивные сопротивления не генерируют шум, однако протекающие через них шумовые токи приводят к появлению шумового напряжения, а также других паразитных эффектов.
Выходной шум схемы можно понизить, уменьшив суммарное сопротивление компонентов или ограничив ширину полосы схемы. Снижение температуры особого эффекта обычно не дает, если только вам не удастся очень сильно охладить резистор, поскольку мощность шума пропорциональна абсолютной температуре:
T(x) в Кельвинах = x °C +273,15 °С. (3)
Все резисторы, входящие в состав схемы, генерируют шум, и его влияние всегда нужно учитывать. На практике ощутимый вклад в полный шум схемы, скорее всего, будут вносить только резисторы во входной цепи и в цепи обратной связи (обычно при больших коэффициентах усиления). При проведении анализа можно считать, что шум поступает от источника тока или от источника напряжения (в зависимости от того, какой из вариантов более удобен для конкретной схемы).
Внутренние источники шума
Шум, появляющийся на выходе усилителя, обычно измеряется в виде напряжения. Однако он генерируется как источниками напряжения, так и источниками тока. Все внутренние шумы обычно приводятся к входу, то есть для них используется модель с некоррелированными, или независимыми, генераторами случайного шума, подключенными последовательно или параллельно к входам идеального нешумящего усилителя (рис. 1).
Эти источники шума считаются случайными и/или имеющими гауссово распределение, и это важно учитывать при их суммировании.
Если один и тот же шум появляется в двух или более точках схемы (имеется в виду схема подавления входного тока смещения), то эти два источника шума являются коррелированными и коэффициент корреляции необходимо учитывать при анализе шума. Поскольку обычно шумы коррелированных источников составляют менее 10 или 15%, то ими чаще всего можно пренебречь, поэтому дальнейший анализ коррелированного шума в данной статье ограничен.
Внутренний шум усилителя можно разделить на четыре категории:
• приведенное к входу шумовое напряжение;
• приведенный к входу шумовой ток;
• попкорн-шум (низкочастотные скачкообразные изменения сигнала).
Наиболее распространенные параметры,
используемые для анализа шума усилителя, — это приведенное к входу шумовое напряжение и приведенный к входу шумовой ток. Их часто описывают через приведенную к входу спектральную плотность шума или среднеквадратический шум в полосе ^ = 1 Гц, как правило, в единицах пА/^Гц (для шумового тока) или нВ/»^Гц (для шумового напряжения). Деление на ^Гц возникает вследствие того, что мощность шума пропорциональна ширине полосы, а шумовое напряжение и плотность шумового тока про-
=г і— Экстраполированы ыя
> \ ,л ^ спектральная плотность шума 1 /\
оГ X X / Экстраполированныя
* р постоянная спектральная
к о \ плотность шума
\ Точка излома характеристики 1 /\
0,1 1 10 100 1к 1Ок
Рис. 2. Экстраполированная характеристика спектральной плотности шума 1/!
порциональны корню из ширины полосы (выражения (1) и (2)).
Четыре типа внутреннего шума
В этом разделе описываются приведенное к входу шумовое напряжение, приведенный к входу шумовой ток, фликкер-шум и попкорн-шум.
Приведенное к входу шумовое напряжение Как правило, приведенное к входу шумовое напряжение (еп) представляют в виде генератора шумового напряжения.
Шумовое напряжение является характеристикой шума, на которую обычно делают основной акцент. Однако при высоких значениях входного импеданса ограничивающим фактором шумовых характеристик системы часто становится шумовой ток. Такое поведение аналогично смещениям в усилителе: зачастую считают, что выходное смещение определяется входным напряжением смещения, но при высоком импедансе на входе выходное смещение в действительности обуславливается током смещения.
Обратите внимание на следующие моменты, касающиеся приведенного к входу шумового напряжения:
• В лучших операционных усилителях спектральная плотность шума может быть даже ниже 1 нВ/^Гц.
• У операционных усилителей на биполярных транзисторах шумовое напряжение традиционно ниже, чем у операционных усилителей на полевых транзисторах, но у них значительно выше шумовой ток.
• Шумовые характеристики усилителей на биполярных транзисторах зависят от тока покоя.
• В современных операционных усилителях на полевых транзисторах можно добиться одновременно и низких значений шумового тока, и значений шумового напряжения, близких к показателям усилителей на биполярных транзисторах (однако не настолько низких, как в лучших усилителях с входным каскадом на биполярных транзисторах).
Приведенный к входу токовый шум
Приведенный к входу токовый шум (іп) обычно проявляется как два источника токового шума, прокачивающих токи через два дифференциальных входа.
Дробовой шум (иногда называемый шумом Шоттки) — это токовый шум, вызванный случайным распределением носителей заряда в токе, преодолевающем потенциальный барьер, например, р-п-переход. Дробовой шум (іп) можно получить с помощью формулы:
где 1В — ток смещения в амперах (А); q — заряд электрона в кулонах (1,6х10-19 Кл); В — полоса пропускания в герцах (Гц).
Шумовой ток в усилителях с входными каскадами на простых биполярных транзисторах и на полевых транзисторах с р-п-переходом обычно отличается на 1 или 2 дБ от дробового шума входного тока смещения. Этот параметр не всегда приводится в спецификациях.
Отметим следующие моменты, относящиеся к приведенному к входу шуму:
• Токовый шум обычного операционного усилителя на биполярных транзисторах, например, ОР27, составляет около 400 фА/^Гц, когда 1В равен 10 нА, и существенно не изменяется с температурой, за исключением усилителей с компенсацией токов смещения.
• Токовый шум в усилителях с входными каскадами на полевых транзисторах с р-п-переходом (такими как AD8610: 5 фА/^Гц при 1В = 10 пА), хотя и ниже по значению, удваивается на каждые 20 °С увеличения температуры микросхемы, поскольку токи смещения в усилителях с входными каскадами на полевых транзисторах с р-п-пере-ходом удваиваются при росте температуры на каждые 10 °С.
• В традиционных операционных усилителях с обратной связью по напряжению, имеющих сбалансированные входы, значения шумовых токов (коррелированных и некоррелированных) на инвертирующем и неинвертирующем входах обычно равны.
• Во многих усилителях (особенно в тех, которые имеют схемы подавления входного тока смещения) коррелированная составляющая шума намного превышает некоррелированную составляющую. В целом, несмотря на распространенное мнение, уровень шума можно улучшить, добавив резистор для согласования импеданса (согласуя значения импеданса на обоих — положительном и отрицательном — входах).
Шум операционного усилителя представляет собой в широком диапазоне частот гауссов шум с постоянной спектральной плотностью (белый шум), однако с уменьшением частоты спектральная плотность на-
чинает возрастать. Этот рост зависит от технологического процесса производства, разводки кристалла ИС, а также типа устройства и составляет примерно:
• 3 дБ на октаву для КМОП-усилителей;
• 3,5-4,5 дБ на октаву для усилителей на биполярных транзисторах;
• до 5 дБ на октаву для усилителей с входными каскадами на полевых транзисторах с р-п-переходом.
Эта низкочастотная шумовая характеристика называется фликкер-шумом, или шумом 1// поскольку спектральная плотность мощности шума имеет зависимость, обратную частоте (то есть 1//). При логарифмической шкале наклон шумовой характеристики равен -1. Частоту, при которой экстраполированная линия спектральной плотности с наклоном -3 дБ на октаву (для КМОП-уси-лителей) пересекает линию постоянной широкополосной спектральной плотности, называют частотой излома характеристики 1//. Она является показателем качества усилителя. Несмотря на то, что усилители на биполярных транзисторах и полевых транзисторах с р-п-переходом имеют больший наклон характеристики по сравнению с КМОП-усили-телями, частота излома 1//у них ниже (рис. 2).
Попкорн-шум (обычно в спецификациях не указывается) — это внезапный скачок тока или напряжения смещения, длящийся несколько миллисекунд и имеющий амплитуду от единиц до сотен мкВ. Этот эффект имеет совершенно случайный характер. Наиболее благоприятные условия для возникновения попкорн-шума создаются при низких температурах и высоких сопротивлениях источника. Какой-то одной доминирующей причины попкорн-шума не существует, однако известно, что он может быть вызван загрязнением металлизации, а также внутренними дефектами или дефектами поверхности кристалла ИС. Несмотря на то, что при современных технологиях производства пластин кристаллов предпринимаются серьезные
меры по сокращению источников попкорн-шума, полностью устранить его невозможно. Дальнейший анализ попкорн-шума выходит за рамки настоящей статьи.
Суммирование источников шума
Источники шума бывают белыми и гауссовыми. Белый шум — это шум, мощность которого в пределах заданной полосы частот постоянна. Гауссов шум — шум, вероятность появления конкретного значения амплитуды которого имеет гауссово распределение.
Гауссов шум обладает следующим свойством. При сложении среднеквадратичных значений шума от двух и более некоррелированных источников гауссова шума (когда один шумовой сигнал не может быть приведен к другому шумовому сигналу), результирующий шум будет равен не арифметической сумме, а квадратному корню из суммы квадратов отдельных среднеквадратичных значений:
Ki, TOTAL = V(eJ +(^Хг„) > (5)
где Vni TOTAL- общий приведенный к вхо-
ду шум; еп — приведенное к входу шумовое напряжение; in — приведенный к входу шумовой ток; RS — эквивалентное сопротивление источника или сопротивление на входе усилителя; Vn(REX) — шумовое напряжение внешней части схемы.
• Любое сопротивление на неинвертирующем входе обладает шумом Джонсона и преобразует шумовой ток в шумовое напряжение.
• Шум Джонсона в резисторах обратной связи в высокоомных схемах может быть значительным.
На рис. 3 графически представлено уравнение (5) как сумма векторов с использованием теоремы Пифагора.
Шумы, которые обсуждались ранее, могут быть объединены в приведенный к входу шум схемы усилителя. Для того чтобы рассчитать общий выходной шум схемы усилителя, общий объединенный шум на входе должен быть умножен на шумовое усиление схемы усилителя. Шумовое усиление — это усиление схемы усилителя для приведенного к входу шума. Оно обычно используется для определения устойчивости схемы усилителя.
Рис. 4. Упрощение схемы шумов усилителя
Для упрощения расчета шумового усиления источники шума в простой схеме усилителя на рис. 1 могут быть объединены в один общий приведенный к входу источник шума (Vni, TOTAL), как показано на рис. 4.
Обычно при расчете принято предполагать, что общий приведенный к входу шум прикладывается к неинвертирующему входу усилителя:
Vno, TOTAL = GNX Vni, TOTAL,
где Vno tOTAL- общий приведенный к вы-
ходу шум; Vni, TOTAL — общий приведенный к входу шум.
где Gn — шумовое усиление; Rj — эквивалентный импеданс цепи обратной связи; R2 — входной эквивалентный импеданс.
В некоторых случаях шумовое усиление и усиление сигнала не являются эквивалентными (рис. 5). Заметим, что полоса пропускания схемы с замкнутой обратной связью определяется делением произведения усиления на полосу (или частоты единичного усиления) на шумовое усиление схемы усилителя.
Рис. 5. Сравнение усиления сигнала и шумового усиления.
Случай 1: в неинвертирующей схеме и усиление сигнала, и шумовое усиление равны 1+ R1 /R2.
Случай 2: в инвертирующей схеме усиление сигнала равно —^^2), но шумовое усиление по-прежнему равно 1+R1/R2
Выбор малошумящего операционного усилителя
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Если сигнал на операционный усилитель поступает от резистивного источника, то эквивалентный шум будет равен корню из суммы квадратов:
• шумового напряжения усилителя;
• напряжения, генерируемого сопротивлением источника;
• напряжения, вызываемого протеканием шумового тока усилителя через импеданс источника.
При очень малых сопротивлениях источника вклад шума, генерируемого сопротивлением источника, и шумового тока усилителя в суммарный шум незначителен. В данном случае шум на входе определяется, по существу, только шумовым напряжением операционного усилителя.
Если сопротивление источника велико, то шум Джонсона сопротивления источника может доминировать и над шумовым напряжением операционного усилителя, и над напряжением, вызванным шумовым током. При этом следует отметить, что, поскольку шум Джонсона пропорционален квадратному корню из сопротивления, а шумовое напряжение, обуславливаемое шумовым током, прямо пропорционально входному импедансу, при достаточно высоких значениях входного импеданса всегда будет преобладать шумовой ток усилителя. Если и шумовое напряжение, и шумовой ток усилителя достаточно велики, то вполне возможна ситуация, в которой шум Джонсона не будет вносить доминирующий вклад ни при каких значениях входного сопротивления.
Для выбора усилителя, у которого вклад собственного шума пренебрежимо мал по сравнению с сопротивлением источника, можно воспользоваться показателем качества операционного усилителя — ор. Его мож-
но найти, используя шумовые характеристики усилителя, по формуле:
где вп — приведенное к входу шумовое напряжение; и — приведенный к входу шумовой ток.
f = 1 кГц e„ @ 1 кГц
— Линия шума Джонсона сопротивления источника
Сопротивление источника, Ом
Рис. 6. Шумы операционных усилителей фирмы Analog Devices
быть значения импеданса датчика). Если они неизвестны, определите их, исходя из компонентов соседних или предшествующих схем.
2. Отметьте точку на линии шума Джонсона, соответствующую сопротивлению данного источника (например, 1 кОм).
3. Проведите горизонтальную линию от точки, отмеченной на шаге 2, до правой границы графика.
4. Проведите наклонную линию вниз и влево от точки, отмеченной при шаге 2, понижая на одну декаду шумовое напряжение при уменьшении сопротивления на каждую декаду.
Все усилители, показанные на рис. 6 ниже и справа от начерченных линий, являются малошумящими усилителями, подходящими для проектов, требующих низких шумов.
В случае, показанном на рис. 7, можно использовать усилители AD8597, AD8599, AD797, ADA4004-4, 0Р270, ОР27/ОР37, AD743/AD745 и ОР184.
Для сравнения ряда высоковольтных (до 44 В) операционных усилителей компании Analog Devices на рис. 6 показаны значения плотности шумового напряжения и RS OP на частоте 1 кГц. Диагональная линия отображает шум Джонсона, связанный с сопротивлением.
Аналогичные графики можно построить для выбранного значения частоты на основании данных из спецификаций на операционные усилители (табл. 1). Например, рассмотрим операционный усилитель AD8599. Это устройство на частоте 1 кГц имеет приведенное к входу шумовое напряжение, равное примерно 1,07 нВ/^Гц, и приведенный к входу шумовой ток, равный 2,3 пА/^Гц. Параметр RS OP
на частоте 1 кГц составляет порядка 465 Ом. Обратите внимание на следующие моменты:
• Шум Джонсона для этого устройства эквивалентен шуму резистора с номиналом около 69,6 Ом (рис. 6).
• При сопротивлении источника свыше 495 Ом шумовое напряжение, порождаемое шумовым током усилителя, превышает шумовое напряжение, создаваемое сопротивлением источника. В таких случаях шумовой ток усилителя становится доминирующим источником шума.
Для практического применения графика (рис. 7) проделайте следующие шаги:
1. Как правило, значения сопротивления источников известны (например, это могут
При оценке шумовых показателей усилителя с позиций его применения в проекте, где требуется обеспечение низкого уровня шумов, рассматривайте все потенциальные источники шума.
Основной вклад шумов операционного усилителя зависит от сопротивления источников следующим образом:
• RS >> RS, OP доминирует приведенный к входу токовый шум;
• Rs = Rs OP-шум усилителя пренебрежи-
мо мал, доминирует шум резистора;
Резюмируя, советуем понизить или устранить уровень мешающих сигналов за счет:
• применения методов разводки, направленных на снижение паразитных элементов схемы;
• применения правильных методов заземления, таких как разделение цифровой и аналоговой «земли»;
Для резистивных источников шума используйте следующие правила:
• Ограничивайте полосу частот до минимально необходимого уровня.
• Где только возможно, используйте резисторы минимального номинала.
• Используйте малошумящие резисторы, например, резисторы на основе металлической фольги, проволочные и металлопленочные резисторы.
• Уменьшайте количество резистивных источников шума, где только возможно.
• При выборе малошумящего усилителя
компании Analog Devices на основании критериев, обсуждавшихся в данной статье, используйте таблицы 1 и 2. ■
Линия шума Джонсона Граница низкого шума Идеальные усилители для применений, требующих низкого уровня шума
f = 1 кГц еп@ 1кГц
AD8610/ STEP 3 AD8620
1 х 103 ЮхЮ3 100×103
Сопротивление источника, Ом
Рис. 7. Выбор операционного усилителя для применений, требующих низких шумов
Таблица 1. Данные для выбора усилителя с низким входным шумовым напряжением фирмы Analog Devices
Тип Напряжение питания (Vsy), В Напряжение смещения (Vos макс.), мкВ Температурный коэффициент напряжения смещения (Т^о$),мкВ/°С Полоса (GBP), МГц Скорость нарастания выходного напряжения, В/мкс Максимальный ток потребления на один усилитель (IsY/АМРмакс.), мА Спектральная плотность шумового напряжения (en при 1 кГц), нВ/^Гц !. € ¡°i « о [f Ш кп пС ( Входной импеданс (Rs р при 1 кГц), Ом Частота излома характеристики 1/f, Гц Максимальный входной ток (!в макс.), нА < S £ к о Т Коэффициент ослабления синфазного сигнала (CMRRмин.), дБ Коэффициент влияния источника питания (PSRR мин.), дБ Число усилителей
AD797 10-36 40 0,2 5 20 10,5 0,9 2 450 60 900 80 120 120 1
AD8597/AD8599 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 9 200 52 120 120 1/2
ADA4004-1 /ADA4004-2/ ADA4004-4 10-36 125 0,7 12 2,7 2,2 1,8 1,2 1500 5 90 25 110 110 1/2/4
AD8676 10-36 50 0,2 10 2,5 3,4 2,8 0,3* — 10 2 40 111 106 2
AD8675 10-36 75 0,2 10 2,5 2,9 2,8 0,3* — 10 2 40 114 120 1
AD8671/AD8672/AD8674 10-36 75 0,3 10 4 3,5 2,8 0,3* — 10 12 30 100 110 1/2/4
ADA4075-2 ±4,5. ±18 1000 0,3 6,5 12 2,25 2,8 1,2 2333 5 100 40 110 106 2
OP27 8-44 100 0,3 8 2,8 5,7 3,2 0,4 8000 2,7 80 30 100 140 1
OP37 8-44 100 0,3 40 17 4,7 3,2 0,4 8000 2,7 75 30 100 140 1
OP270/OP470 9-36 75 0,2 5 2,4 3,25 3,2 0,0069 5333 5 20 15 106 110 2/4
AD743 9,6-36 1000 2 4,5 2,8 10 3,2 0,0069 463 768 50 0,4 40 80 90 1
AD745 9,6-36 500 2 20 12,5 10 3,2 0,4 463 768 50 0,25 40 90 100 1
OP184/OP284/OP484 3-36 100 0,2 4,25 4 3,9 — 9750 10 450 10 86 90 1/2/4
AD8655/AD8656 2,7-5,5 250 0,4 28 11 4,5 4 0,4 — 3 000 0,01 220 85 88 1/2
OP113/OP213/OP413 4-36 150 0,2 3,4 1,2 4,7 0,5 11 750 10 6 о о 40 96 100 1/2/4
SSM2135 4-36 2000 — 3,5 0,9 5,2 0,9 10 400 3 750 30 87 90 2
OP285 9-36 250 1 9 22 2,5 6 0,005 6667 125 350 30 80 85 2
AD8610/AD8620 10-27 100 0,5 25 60 3,5 6 1,5 1 200 000 1 000 0,01 65 90 100 1/2
OP275 9-44 1000 2 9 22 2,5 6 0,8 4000 2,24 350 14 80 85 2
OP467 9-36 500 3,5 28 170 2,5 6 0,4 7500 8 6 о о 40 80 96 4
OP471 9-36 1800 4 6,5 8 2,75 6,5 0,2 16 250 5 60 10 95 95 4
OP1177/OP2177/OP4177 5-36 60 0,2 1,3 0,7 0,5 7,9 — 39 500 10 2 25 120 120 1/2/4
AD8510/AD8512/AD8513 9-36 400 1 8 20 2,5 8 0,025 — 100 0,08 70 86 86 1/2/4
AD8651/AD8652 2,7-5,5 350 4 50 41 14 8 — 320 000 10 000 0,01 80 80 76 1/2
AD8646/AD8647/AD8648 2,7-5,5 2500 1,8 24 11 1,5 8 0,01 — 1 000 0,001 120 67 63 1/2(SD)/ 4
AD8605/AD8512/AD8513 2,7-5,5 300 1 10 5 1,2 8 0,05 800 000 500 0,001 80 85 80 1/2/4
AD8691/AD8692/AD8694 2,7-6 2000 1,3 10 5 1,05 8 0,4 160 000 3 000 0,001 80 70 80 1 (SD)/2(SD)/4(SD)/
OP162/OP262/OP462 2,7-12 325 1 15 13 0,8 9,5 0,12 23 750 10 6 о о 30 70 60 1/2/4
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
OP07 6-36 75 0,3 0,6 0,3 9,6 0,074 80 000 100 4 30 106 94 1
OP07D 8-36 150 0,5 0,6 0,2 1,3 10 0,074 135 135 8 1 30 120 115 1
AD8677 8-36 150 0,5 0,6 0,2 1,3 10 0,074 135 135 8 1 30 120 115 1
AD8615/AD8616/AD8618 2,7-5,5 500 1,5 24 12 10 0,05 200 000 1000 0,001 150 80 70 1/2/4
AD8519/AD8529 2,7-12 1100 2 8 2,9 1,2 10 0,4 25 000 80 300 70 63 60 1/2
AD8665/AD8666/AD8668 5-16 2500 3 4 3,5 1,55 10 0,1 100 000 1 000 0,001 140 90 98 1/2/4
AD8661/AD8662/AD8664 5-16 160 4 4 3,5 1,55 12 0,1 120 000 1 000 0,001 140 90 95 1/2/4
OP97/OP297/OP497 4-40 75 0,3 0,9 0,2 0,38 14 0,02* 1 166667 200 0,15 10 110 110 1/2/4
OP777/OP727/OP747 3-36 100 0,3 0,7 0,2 0,35 15 0,13 115384 20 11 30 110 120 1/2/4
AD8517/AD8527 1,8-6 3500 2 7 8 1,2 15 1,2 12 500 200 450 10 60 90 1/2
Примечание. * — условия измерений в соответствии со спецификациями.
Таблица 2. Данные для выбора усилителя с низким входным токовым шумом фирмы Analog Devices
AD549 10-36 40 0,2 20 10,5 0,9 450 60 900 80 120 120 1
AD548K/B 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD743 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD745 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD711C 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD8605 /AD8 606/AD8608 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD8651/AD8652 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD8615 /AD8616 /AD8618 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD8691/AD8692/AD8694 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
AD8661/AD8662/AD8664 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2, 3 465 200 52 120 120 1/2
0P07 9-36 120 0,8 10 15 5,7 1,07 2,3 465 200 52 120 120 1/2
1. Analog Devices, Inc. AN-280 Application Note Mixed Signal Circuit Techniques.
2. Barrow J., Brokaw P. Grounding for Low- and High-Frequency Circuits // Analog Dialogue. Analog Devices, Inc. 23.3,1989.
3. Bennett W. R. Electrical Noise. New York: McGraw-Hill, 1960.
4. Bowers D. F. Minimizing Noise in Analog Bipolar Circuit Design. IEEE Press, 1989.
5. Brockman D., Williams A. AN-214 Application Note Ground Rules for HighSpeed Circuits. Analog Devices, Inc.
6. Brokaw P. AN-202 Application Note An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change. Analog Devices, Inc. February, 2000.
7. Brokaw P., Barrow J. AN-345 Application Note Grounding for Low- and High-Frequency Circuits. Analog Devices, Inc.
8. Bryant J., Counts L. Op Amp Issues-Noise // Analog Dialogue. Analog Devices Inc. 24.2,1990.
9. Freeman J. J. Principles of Noise. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1958.
10. Gupta, Madhu S. Electrical Noise: Fundamentals & Sources. New York: IEEE Press, 1977. Collection of classical reprints.
11. Johnson J. B. Thermal Agitation of Electricity in Conductors (Physical
12. Motchenbacher C. D., Connelly J. A. Low-Noise Electronic Design. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1993.
13. Nyquist H. Thermal Agitation of Electric Charge in Conductors (Physical Review 32). 1928.
14. Rice S. O. Math Analysis for Random Noise // Bell System Technical Journal. July, 1944.
15. Rich A. Understanding Interference-Type Noise // Analog Dialogue. Analog Devices Inc. 16.3.1982.
16. Rich A. Shielding and Guarding // Analog Dialogue. Analog Devices, Inc. 17.1.1983.
17. Ryan A., Scranton T. DC Amplifier Noise Revisited // Analog Dialogue. Analog Devices, Inc. 18.1.1984.
18. Schottky W. Small-Shot Effect and Flicker Effect // Phys. Rev. 28. 1926.
19. Van Der Ziel A. Noise. Englewood Cliffs. NJ: Prentice-Hall, Inc., 1954.