Хаотические колебания какой-либо физической величины около своего среднего значения называют ф л у к т у а ц и я м и. Такие флуктуации э. д. с. или электрического тока неизбежно возникают в любых радиотехнических устройствах. Происходит это вследствие дискретной прИ|роды электрического тока-потока заряженных частиц- электронов. Поскольку эти флуктуации оказывают в радио-устройствах мешающее действие и в определенных условиях могут нарушить их нормальную работу, они называются помехами. А так как эти помехи не приходят откуда-то извне, а возникают неносредственно внутри радиоустройств, их называют виутрен-н и м и.

Если такие внутренние помехи в достаточной степени усилить и подать на громкоговоритель, то последний будет издавать своеобразные шипящие звуки. Поэтому такие помехи принято называть шумовыми помехами или просто шумами. Такое название сохраняется даже в тех случаях, когда помеха никаких звуков не производит, как, например, при приеме телевизионных изображений.

К основным видам шумовых помех относятся: тепловые, образующиеся за счет хаотического теплового движения электронов в различных активных сопротивлениях, колебательных контурах, фидерных линиях, антеннах, и дробовые, обязанные своим происхождением флуктуациям потока электронов во всевозможных электронных приборах (диодах, транзисторах, радиолампах).

Как тепловые, так и дробовые помехи представляют собой беспорядочную хаотическую последовательность очень малых и очень коротких импульсов, следующих друг за другом через случайные промежутки времени, вследствие чего спектр шумов является сплошным; в нем присутствуют составляющие любых частот, но из-за этого мощность каждой такой составляющей оказывается бесконечно малой. Поэтому для оценки распределения мощности шума по частотам пришлось ввести специальное понятие - спектральную плотность мощности шума, под которым понимается предал отношения ДР

-д^, где АР -мощность шумов, приходящаяся на полосу частот

Af при Af, стремящейся к нулю. Иногда спектральную мощность шумов называют также интенсивностью шума.

Спектральная плотность мощноспи шума- величина, как пра-В1ИЛ0, постоянная от нулевых до самых высоких радиочастот. Поэтому флуктуационные помехи нередко называют гладким или белым шумом (по аналогии со спектром белого света).

Следует оговориться, .что встречаются сложные источники шума, спектр которых неравномерен. Кроме того, хотя спектральная плотность мощности шума при его возникновении и постоянна, но при прохождении нащряжения шумов по тракту в нем могут встретиться участки, коэффициент передачи которых изменяется с частотой (различные цепи коррекции, усилители с ограниченной полосой частот, например с резонансными контурами и т. п.). После таких уча- CTKOiB спектральная плотность мощности шума приобретает форму, соответствующую кривой изменения коэффициента передачи участка в зависимости от частоты.

(Прежде чем приступить к выяснению роли и значения шумовых помех в телевизионных системах и их воз|действия на принимаемые изо'браж-ения, рассмотрим шумовые свойства основных элементов радиотехнических цепей.

Ш у м ы про в о д н и к о в. Свободные электроны в проводнике, как известно, находятся в непрерывном движении. Интенсивность этого движения зависит от температуры проводника и увеличивается с ее повышением. Электроны во время своего движения взаимодействуют как между собой, так и с атомами проводника. При этом изменяются скорость и направление их движения. Каждое такое изменение может рассматриваться как элементарный импульс тока. Суммируясь, эти импульсы создают на концах проводника шумовую э. д. е.-Эффективное значение этой э. д. с. может быть подсчитано по формуле Найквиста

= УШНП, (1)

где /г--постоянная Больцмана, равная 1,38-Ю-з Дж/град; Г - абсолютная температура шумящего сопротивления; R - активное шумящее сопротивление; П - полоса частот, в пределах которой подсчитывается э. д. с. шумов.

Флуктуации э. д. с. на концах проводника служат типичным примером тепловых флуктуации.

Шумы параллельного колебательного конту-р а. Шумовая э. д. с, возникающая на зажимах параллельного колебательного контура, вызывается тепловым движением электронов и подсчитьивается по формуле НайкВ|Иста, в которой в качестве шумящего сопротивления берется эквивалентное сопротивление контура Rq, а в качестве полосы частот - так назькваемая интегральная полоса пропускания контура или эффективная полоса шумов Яш= = 1,57 П, где Я -полоса пропускания контура на уровне 0,7 при одном колебательном контуре (рис. 1).

С допустимой для практики точностью эффективная полоса шумов может быть найдена по обычной резонансной кривой, только определяться она должна не на уровне 0,7, а на уровне 0,5 от максимального значения.

При анализе и расчетах шумовых помех шумовые свойства реальных резисторов и колебательных контуров обычно отображают с помощью эквивалентных шумовых генераторов напряжения = = y4kTRIJjjj или тока /щ VAkTgFI (рис. 2). Сопротивление R и про водимость g считаются идеальными нешумящими.

Шум полупроводникового диода. Внутренние шумы в полупроводниковом диоде обусловлены двумя причинами: флук-туациями потока носителей через /?-;г-переход (дробовые шумы) и тепловыми шумами сопротивления тела базы диода.

Эффективное значение дробовых шумов определяется формулой

Шоттки:

/ш.др = К2/Я,

где 7 -заряд электрона, равный 1,6-10- К; / - среднее значение ф.т} ктуирующего тока.

Рис. 1. Определение эффективной полосы шумов резонансного усилителя:

а - точное; б - приближенное.

Тепловые шумы объемного сопротивления Гд диода также подсчитываются по формуле Найквиста:

Шумы электронных ламп. Шумы электронных 1ламп складываются нз ряда составляюших: дробового шума, обусловленного непостоянством эмиссии электронов на катода и попадания их на анод; шума нерерас-пределения электронов между положительными электродами лампы; флуктуацией тока в цепи сетки, наведенного электронным потоком лампы, когда время пролета электронов между электродами делается сравнимым с периодом усиливаемых колебаний.

Шумовой ток от дробового эффекта анодного тока трехэлектродной лампы определяется уже упоминавшейся формулой Шоттки. В данном случае

где /а- анодный ток лампы; Д - коэффициент депрессии дробового эффекта, определяемый отношением анодного тока лампы /а

Рис. * 2. Эквивалентные схемы шумовых генераторов.

а - напряжения; б- тока.

к полному току, эмиттируемому катодом /э, т. е.

Д = = 0,2-0,8.

э

Дри расчетах шумов и анализе их мешающего действия часто оказывается удобнЫ(М условно рассматривать шум, создаваемый лампой, как результат включеиия некоторого эквивалентного шумящего сопротивления в цепи сетки идеальной (бесшумной) лампы, создающего в анодной цепи лампы шумовой ток, равный дробовому току реальной лампы.

iB таком случае напряжение дробовых шумов лампы оказывается пересч1ита1нным в ее сеточную цепь н также описывается формулой Найквиста:

/др.л-К417%Д. (3)

Уровень флуктуационных шумов лампы возрастает с ростом числа электродов © лампе. Происходит это благодаря появлению шумов перераспределения. Для триодов с оксидным катодом эквивалентное шумовое сопротивление может быть найдено ш выражения

где А-коэффициент, принимающий в зависимости от особенностей лампы, значения от 2,5 до 3,5; 5 - статическая крутизна характеристики лампы.

Для тет^родов и пентодов эквивалентное шумовое сопротивление значительно больше и может быть найдено по следующей формуле

/? = (+20-), (4)

где и ток анода, h - ток экранной сетки лампы.

Шумовые сопротивления многосеточных ламп рассчитываются по этой же формуле, только вместо тока экранной сетки /э в формулу подставляется сумма токов сеток с положительными потенциалами.

Значение шумового сопротивления триодов колеблется от 50 до 1000 Ом, пентодов -от 300 до 5000 Ом, а гексодов и октодов--от 10 000 до 100 000 Ом.

Дробовые шумы лампы и шумы пе)р©рас!пределения не зависят от частоты и представляют собой белый шум. Флуктуации тока в цепи сежи, наводимого электронным потоком на частотах, на которых время пролета электронов между электродами сравнимо с периодом колебаний (т. е. в диапазоне СЕЧ), протекают по внешней цепи сетки, создавая на ее сопротивлении шумовое напряжение. Это напряжение зависит от сопротивления сеточной цепи и уменьшается с его уменьшением. Этот шум обычно учитывается параллельным включением между сежой и катодом лампы эквивалентного шумового генератора тока:

/m.HVnTV, (5)

где tm - T/To - относительная шумовая температура, показывающая, во сколько раз температура Т нагрева проводимости вх должна быть больше нормальной окружающей температуры Го=293 К, что бы генератор тока /ш создавал шумы, эквивалентные шумам, наведенным в цепи управляющей сетки лампы.

Для ламп пальчиковой серии /ш=3,9; для ламп с дисковыми выводами ш=4,9. На частотах менее 30 МГц входная проводимость gx стремится к нулю, и поэтому наведенным шумовым током можно пренебречь.

Шумы биполярных транзисторов. Шум, возникающий на выходе биполярного транзистора, содержит следующие составляющие.

1. Дробовой шум, обусловленный дискретной структурой тока через коллекторный и эмиттерный переходы и колебаниями уровней потенциальных барьеров.

др == др.к + др.э ==

=А-к т^2 + г, VHiTT, (6)

где /ко и /э - токи через соответствующие переходы; Гк и Гэ - сопротивления эквивалентной схемы транзистора.

2. Тепловой шум активных сопротивлений 0азы, эмиттера и коллектора. Наибольшее значение в создании тепловых шумов из этих трех соста1В'Ляющих имеет объемное активное сопротивление базы Гб. Поэтому приближенно .можно считать, что У^кТгеЛ-

3. Шумы токораспределения, т. е. разделения тока эмиттера на две части: ток коллектора и ток базы.

2/з [+а(1-а)

П, (7)

где а - коэффициент усиления каскада с общей базой.

4. Избыточные шумы, называемые также мерцательными или шумами фл.иккер-эффекта, связаны с нарушением структуры полупроводника и процессами в его поверхноспном слое. Избыточные шумы характерны тем, что спектр их неравномерен. Он зависит от частоты по закону 1/f. С ростом частоты энергия этих шумов падает, и они оказывают заметное действие лишь на нижних звуковых и инфразвуковых частотах.

Шумовые свойства транзисторов, как и свойства электронных ламп, нередко характеризуют или эквивалентным шумовым сопротивлением Rm, включенным на его вход, напряжением или током эквивалентного шумового генератора, как это показано выше. Однако самым распространенным способом оценки шумовых свойств транзистора является определение его коэффициента шума Л^.

Коэффициентом шума называется отношение полной мощности шумов в нагрузке к той части полной мощности (Ят.г), которая обусловлена тепловыми флуктуациями в сопротивлении источника сигнала:

Т.Г

Из такого определения следует, что если бы транзие-тор был идеальным и не добавлял никаких шумов, то вся шумовая мощность

Е нагрузке была бы вызвана тепловыми флуктуация,ми в сопротивлении источника сигнала (генератора), числитель и знаменатель дроби стали бы равны и коэффициент шума был бы равен единице.

Выражение для коэффициента шума (8) иногда преобразовывают к несколько иному ниду, а именно:

где (Яс/Яш)вх - отношение сигнал/шум на входе транзистора; (Яс ш)вых-отношение сигнал/шум на выходе; /Ср - коэффи- циент усиления транзистора по мощности; Яш.тр - мощность соб- ственных шумов транзистора.

Шум полевых транзисторов. Полевые транзисторы обладают значительно меньшим уровнем шумов, чем биполярные. Теоретически шумовые помехи в полевых транзисторах с /?-/г-пере-Х0Д01М и со структурой МОП состоят из теплойых шумов в токо-проводлщем канале, дробовых шумов затвора и тепловых шумов входной проводимости. Однако на высоких частотах подавляющая доля мощности шумов приходится на первый вид -тепловые помехи в токопроводящем канале сток - исток.

Шумовое сопротивление Rm полевых транзисторов, характеризующее тепловой шум в токопроводящем канале, колеблется в пределах

R==(0,Q-QJ5)/S, , (10)

где S - крутизна характеристики транзистора.

Так как ток затвора полевого транзистора чрезвычайно мал, то дробовыми шумами этого тока в большинстве случаев пренебрегают.

. Относительная шумовая температура входной проводимости полевого транзистора составляет tm=\.

2. ФЛУКТУАЦИОННЫЕ ПОМЕХИ НА ПЕРЕДАЮЩЕМ КОНЦЕ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЫ. МЕТОДЫ ИХ ОСЛАБЛЕНИЯ

Как и в большинстве радиотехнических устройств, в телевизионных системах (в их передающих трубках, лампах, транзисторах, активных сопротивлениях и других элементах) возникают рассмотренные выше флуктуационные помехи.

В процессе прохождения телевизионных сигналов от передающей трубки до кинескопа эти помехи накапливаются, усиливаются и, накладываясь на телевизионный сигнал, искажают принимаемое изображение. Степень мешающего действия флуктуационных помех определяется не их абсолютной величиной, а отношением сигнал/шум на выходе телевизионной системы. Поэтому, хотя шумовые помехи образуются во всех участках и элементах телевизионной системы, существенное влияние на отношение сигнал/шум они оказывают лишь там, где полезный сигнал имеет небольшое сравнимое с шумами значение.

На рис. 3 приведены структурная схема тракта изображения телевизионной системы (для упрощения тракт звука не показан) н основные источники шумов, снижающие в той или иной степени отношение сипнал/шум на выходе системы.

Если поставить задачу точно рассчитать напряжение шумов многокаскадного усилителя, накопленное от всех каскадов, то это можно сделать (на примере лампового усилителя) при помощи

Шумы VzQycitnumS наснада}

ж

длектрооптическии преобразователь (кинескоп)

Рис. 3. Структурная схема телевизионной системы и источники ее

а - передающая часть; б - приемная часть.

формулы (3), в которой вместо шумового сопротивления одного усилительного прибора Rm взять эквивалентное шумовое сопротивление усилителя в целом ш.у, определяемое из выражения:

где Rm и /С - эквивалентные шумовые сопротивления и коэффициенты усиления соответствующих каскадов усилителя.

Из выражения (11) нетрудно заключить, что сигнал, усиленный хотя бы одним каскадом усилителя, будет значительно превышать

флуктуационные помехи, и последние не смогут сколько-нибудь заметно снизить отношение сигнал/шум. Поэтому шумами, добавляемыми вторым 1И последующими каскадами усилителя, аможно пренебречь.

Практически оказалось, что в телевизионных системах обычно необходимо учитывать шумы передающей трубки, тепловые шумы нагрузочного рез.истОра Rb и шумы neipnoro усилительного каскада.

Таблица

Как видно из рис. 3, шумовые помехи, возникающие на входе приемной части системы, вновь приобретают существенное значение и могут сильно снизить отношение сигнал/шум на* выходе, так как полезный сигнал приходит на вход приемной части сильно ослабленным.

В современных передающих трубках основная составляющая шума обусловлена дробовыми флуктуациями считывающего электронного луча.

Ориентировочное значение квадрата эффективного тока шума, генерируемого передающей трубкой в полосе частот пропускания тракта П, может быть найдено из выражения

ш.тр = 2л/гЯ, (12)

где /л - ток коммутирующего луча трубКи; д - заряд электрона; п - коэффициент, зависящий от типа и режима работы передающей трубки и равный приблизительно 1 в трубках с разверткой лучом быстрых электронов и достигающий 10 в трубках с разверткой медленными электронами.

Напряжение шумов, соз!даваемое передающей трубкой на нагрузочном резисторе /?н,

ш.тр = = V2qUnnR\. (13)

Шумовые параметры основных типов передающих трубок приведены в таблице.

KaiK следует из п,ри.ведеиной таблицы, известные в настоящее 1время передающие трубки подразделяются иа две существенно различающиеся группы. Трубки без использования вторичного электронного умножения (иконошопы, супер иконоскопы, видиконы и плюм-биконы) вырабатывают очень слабый сигнал, но с высоким отношением сигнал/ш'ум. Поэтому отношение сигнал/шум на выходе видеотракта с этими трубками определяется в основном шумами предварительного усилителя. В трубках, использующих нторично-электронное умножение, образуется большой сигнал (усиленный (внутренним нторично-злектронным умножителем), но с низким отношением сигнал/шум. -Это объясняется в основном низким коэффициентом модуляции обратного тока луча трубки (25-35%) и дополнительным ухудшением отношения сигнал/шум за счет вторично-электронного умножителя (в 1,4-2 раза).

Для уменьшения шумов в телевизионных системах .с трубками без вторично-электронного умножения необходимо стремиться к снижению шумов усилителя, а в системах с суперортиконами- к повышению отношения сигнал/шум самой трубки.

Исследования шумювых свойств телевизионных трубок и видеоусилителей показали, что передающую трубку, обладающую сравнительно большим внутренним сопротивлением Ri (около одного хме-гао.ма), можно рассматривать при /?н</?г как генератор тока, в котором Uc=IcRh-

В то же время, как это следует из выражения (1), напряжение тепловых шумов U~VkfllR и, следовательно, отношение сигнал/шум

т. е. отношение сипнал/шум телевизионной системы при увеличении Rn растет пропорционально vRu-

Этот способ повышения отношения сигнал/шум путем значительного увеличения нагрузочного сопротивления трубки, предложенный Г. В. Брауде, получил название противошумовой корр§1кции (ПШК).

Но применение ПШК связано с некоторыми затруднениями, обусловленными наличием во входной цепи предварительного усилителя паразитной емкости Сп, шунтирующей сопротивление нагрузки трубки Rh (рис. 4). Эта емкость слагается из выходной емкости трубки Свых.тр, емкости монтажа См и входной емкости усилительного прибора первого каскада усилителя Свх.у.п.

Из-за этой емкости, достигающей 40-50 пФ, фактической нагрузкой трубки становится не Rh, а полное комплексное сопротивление:

К1 + (о)С/?н) *

Коэффициент передачи входной пепи усилительного прибора в этом случае равен:

Zh 1

Из фО[рмулы следует, что частотная характеристика падает с возрастанием частоты (,рис. 5, кривая /).

Обычно в радуютехнике считают допустимым завал частотной характеристики на высшей частоте полосы пропускания не более 30 о/о, т. е. /(вх 0,7:1/К2. Сравнивая подкоренные выражения знаменателей, находим:

1 + КаксСнн)\= 2, откуда г

7-,----

Г

свых. t\n M Jdx. ул

Т Т I ! i I

D т

Рис. 4. Схема входной цепи предварительного усилителя.

Рис. 5. Частотные характеристики входной цепи и цепи коррекции.

Рассчитаем сопротивление нагрузки Rn для получения такого завала на верхней частоте полосы пропускания телевизионного сигнала /макв=6 МГц при Си = 50 пФ:

макс =2л.6.10 рад/с-Сп = 50-10-12 Ф, следовательно,

27г.б.10 .50

: 500 Ом.

Но жри таком сопротивлении нагрузки отношение сигнал/шум будем недопустимо низким. Если для осуществления противошумовой коррекции взять i?H>500 Ом, то высшие частоты видеосигнала будут недопустимо ослаблены. Поэтому применение ПШК требует обязательного введения в усилитель коррекции высших частот по закону

где /(о - усиление на средних частотах (рис. 5, кривая 2).

Тогда общее усиление во всей полосе частот усилителя с учетом коррекция (р'ис. 5, кривая 3) составит:

Коррекция частотных искажений, вызванных входной цепью, т. е. ослабление усиления на низких частотах и подъем на высоких,