Показана работа усилителя с параллельным включением активных элементов (каскадов усиления) и последующим трансформаторным суммированием их выходных сигналов. Коэффициент передачи такого устройства определяется произведением коэффициента передачи отдельного каскада усиления на коэффициент трансформации и на число таких трансформаторов при их последовательном включении. Итоговый коэффициент шума на выходе устройства снижается в корень квадратный из числа активных элементов.
Проблема снижения уровня шумов усилительных устройств связана со стремлением выделить из шума слабые сигналы, несущие информацию. Для повышения соотношения сигнал/шум чаще всего ограничивают полосу усиливаемых частот или понижают температуру приемного устройства. Общеизвестно также, что для повышения соотношения сигнал/шум используют параллельное включение активных элементов, что позволяет снизить амплитуду шума на выходе пропорционально квадратному корню из числа этих элементов [1–4].
При сложении шумов по правилу сложения мощностей от n источников шума общее их напряжение можно определить как [1,2]:
При реализации этого способа снижения уровня шума наиболее проблематичным является вопрос суммирования выходных сигналов, снимаемых с активных элементов. Похожая проблема актуальна и для усилителей, работающих в области сверхвысоких частот, а также в радиопередающей технике при суммировании мощности выходных каскадов.
На Рисунке 1 показан один из вариантов решения подобной задачи. На эквивалентной схеме источник сигнала подключен к входам нескольких параллельно включенных активных элементов, выполненных на основе, например, операционных усилителей DA1–DAn. Для моделирования работы устройства использован программный комплекс схемотехнического моделирования Multisim. На входе каждого из операционных усилителей включен свой источник шумового напряжения UШ. Выходы усилителей нагружены на трансформаторы T1–Tn, обмотки которых для суммирования выходных напряжений соединены последовательно.
 |
|
| Рисунок 1. | Эквивалентная схема параллельного включения активных элементов (усилителей) и суммирование их выходных сигналов по напряжению. |
Для моделирования работы устройства были использованы 16 идентичных каскадов, содержащих индивидуальный источник шумового напряжения с максимальной амплитудой шумового сигнала 20…23 мкВ, усилитель-инвертор напряжения на операционном усилителе (ОУ) в типовом включении с коэффициентом передачи 16, повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации 1:2. На вход устройства подавался сигнал синусоидальной формы частотой 1 кГц амплитудой 20 мкВ.
Суммарный коэффициент передачи устройства определяется произведением коэффициента передачи отдельно взятого активного элемента (усилителя) на коэффициент трансформации и на количество трансформаторов, или 16 × 2 × 16 = 512.
На Рисунке 2 показаны осциллограммы входного, промежуточного и выходного сигналов. Как следует из анализа рисунка, сигнал на выходе отдельно взятого операционного усилителя при соотношении сигнал:шум = 1:1 существенно искажен. Однако при трансформаторном суммировании выходных сигналов с 16-и идентичных каналов ситуация существенно улучшается, см. Рисунок 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Осциллограммы внешнего сигнала, подаваемого на входы усилителей амплитудой 20 мкВ частотой 1 кГц; сигнала на выходе одного из операционных усилителей (ОУ) при соотношении сигнал:шум = 1:1; итогового сигнала на выходе устройства. |
При отсутствии входного сигнала, несущего информацию, максимальная амплитуда шума на выходе отдельно взятого ОУ достигает 0.37 мВ, что соответствует уровню шумового сигнала на входе ОУ 21.9 мкВ. При коэффициенте передачи всего тракта 512 на выходе устройства присутствовал бы шум амплитудой до 11.84 мВ. Фактически уровень шума на выходе при параллельном включении 16-и каналов не превышает 3 мВ, что согласуется с теоретическими предпосылками. Шумовая составляющая выходного сигнала снижается в корень квадратный из числа 16-и параллельно включенных каналов, или в 4 раза.
Для обеспечения работы усилителя в области повышенных частот должны использоваться активные элементы, рассчитанные на работу на этих частотах. В качестве трансформаторов могут быть применены трансформаторы с ферритовыми сердечниками, а также трансформаторы без магнитопровода. В плане повышения амплитуды высокочастотных выходных сигналов и одновременного снижения уровня шума перспективным представляется использование в качестве нагрузок активных элементов последовательно включенных взаимосвязанных резонансных колебательных контуров.
Литература
- Носов В. Усовершенствование преобразователя с динамической нагрузкой. Радио. 1975. № 8. С. 32–33.
- Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. М.: Мир, 1979. 318 с.
- Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М.: Додэка-ХХI. 2005. 528 с.
- Štofka M. Параллельное включение вдвое уменьшает шум усилителя с автоподстройкой нуля.
