Способ устранения шума в усилителе Советский патент 1934 года по МПК H03F1/26 H03F1/28 

Как в настоящее время известно, причинами, вызывающими щумы в усилителях, являются, в основном, тепловые флюктуации свободных электронов внутри проводников, щрот-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 щума 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 / фотоэлемента Ф протекает по сопротивлению /, включенному в фотоэлектрическую цепь на входе усилителя Y. С -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 флюктуация ми в сопротивлении, включенном на входе усилителя, определяется следующей формулой:

-,- 2/tr Г

V- - J /(to) р (ч) w

где Т-абсолютная температура, k-постоянная, /() - вещественная часть комплексного сопротивления (зависящего от частоты), в котором происходят тепловые флюктуации, Y-коэфициент усиления усилителя (зависящий от частоты).

В расематрива мом случае, когда применено омическое сопротивление, шунтируемое емкостью, (R () , -,2

( - величина сопротивления при постоянном токе).

Если коэфициент усиления усилителя от частоты не зависит, то-есть остается постоянным для о от нуля до бесконечности, то имеет место соотношение:

-Ш PC

d.0

J.

1 + ш / о-С

V2E Г«

do - - I 14- о.;,, ОЧ,

kTY J ,.°о - г. kTY

)

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

В действительности коэфициент усиления усилителя не является постоянным во всем чдиапазоне 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 WQ-Ш), 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- cTY С

При 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 to - Р

торой падение усиления фототоков, происходящее из-за уменьшения напряжения на сопротивлении R, происходит в 1/2 , за нижнюю же границу частот- нуль. Тогда:

or-Tivz ,, ITY

(arctg.x) |2

и энергия шума на выходе усилителя представляет собой половину полной

J(TY

энергии шума -т;-. Если рассчитать энергию шума в полосе частот, в пределах которой коэфициент усиления усилителя постоянен,а RoC 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:

() Ь

Ш1J

2. Т г - SfcgT- / J ш - -№С V «Л,„

2kTY- /JJ

юо juj/

при OJ

OJ-TY

у2 - „cг„„

Из последнего выражения видно, что с увеличением величина энергии шума в области частот % - будет падать и при / со стремиться и нулю, в том случае, если . нижняя граница частот Wg сама не равна нулю (верхняя раница может быть равной и бесконечности). Эта граница может быть тем ближе к нулю, чем больше k.

Таким образом, при увеличении величины сопротивления RQ, полная возможная (при усилителе, усиливающем все частоты от нуля до бесконечности) энергия шумов сосредоточивается в области низких, лежащих около нуля частот, и при RO 00 вся возможная

ная энергия щумов концентрируется при частоте, равной нулю, во всем же диапазоне частот, усиливаемых усилителем 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 ,

равно

;«С

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 , где S-крутизна лампы, в анодную цепь которой включена самоиндукция L; У-коэфициент усиления всего остального усилителя, который попрежнему будет считаться постоянным в пределах некоторой полосы частот, например О - w (33 пределами же этой полосы частоты-равным нулю).

Подставив в интеграл

0

1/г Г /((.0) PW

-о

значения 2 и r/ХрЧ О

т., 2lil Г 1 С ,, I , получим -g-5™i-w-A-r-f/w

j KO I-Lfj d-

2l-TS I Y Rc,0

при конечной полосе частот t энергия шума на выходе усилителя, падая вместе с увеличением RO, будет стремиться к нулю при 00 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 /, на выходе усилителя будет равно произведению напряжения на сопротивлении, включенном в фотоэлектрическую цепь, на коэфициент усиления усилителя, т. е. StoiF / К; квадрат

этого напряжения будет V- I-

отношение среднего квадратичного напряжения, вызванного тепловыми флюктуациями к напряжению, вызванному фотоэлектрическим током, будет

. V2 2А-2- SЧ-.r ,2 Г -Г -

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

- УУТусилителя V р- в случае, когда полоса частот усилителя w Квадрат

напряжения на выходе, вызванного фотоэлектрическим током, будет в данном

случав различен для различных частот в пределах полосы частот w. При частоте нуль он будет равен V PRf,Y, с увеличением частоты он будет падать и при

частоте ;о7; ° будет равен V гуз

. Если взять среднее значение

квадрата напряжения У PRa-Y, то , , V2 7,ТУ2 3 ,0 п v

отношение

- 3/2/ оС2

Принимая во внимание, что -o-7i)

)О ,, 2А:2 О) ...

получим t/i Обозначая сопротивление, включенное в фотоэлектрическую цепь, в этом обычном случае через R, в отличие от разобранного выше случая, когда это сопротивление обозначалось через RO, получим для отношения между числами U и L/i;

2ТсТ ш

.2ЪТ ш т, R, R,

Ui

3 т: 3 , /,

Величина п - показывает, во сколько

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 о может быть принципиально сделана сколь угодно большой, но практически выше 200 М и ее сделать затруднительно. Принимая Q, что соответствует, при практически минимальной емкости С в 30 J-f F, полосе частот в 5 10, получим « 2000.

Снизив во столько раз шум, вызванный тепловыми флюктуациямй, этим его практически уничтожают, так как тогда преобладающими станут уже шумы, вызванные следующими за тепловыми флюктуациямй 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 щума 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 флюктуациямй 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 п. 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.

9(

V V

V V

.