Способ устранения шума в усилителе

фмоюа.АВТОРСКОЕ СВИДЕТЕЛЬСТВО НА ИЗОБРЕТЕНИЕ Класс 21 а 4, 5 ф 293 вт, улл 1 ОПИСЙНИспособа устранения шума в усилителе. К авторскому свидетельству Г. В. Брауде, заявленному 10 апреля 1933 года (спр. о перв.126978).О выдаче авторского свидетельства опубликовано 30 анрепа 1934 года. Как в настоящее время известно, причинами, вызывающими шумы в усилителях, являются, в основном, тепловые флюктуации свободных электронов внутри проводников, шрот-эффект и фли. кер-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 тепло. выми флюктуациями в сопротивлении, включенном в фотоэлектрическую цепь, на входе усилителя, ставит в этом слу. чае 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 шума 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 флюк. туациями (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 схе. ма усиления фототоков. Электрический ток 1 фотоэлемента Ф протекает по сопротивлению гс, включенному в фотоэлектрическую цепь на входе усилителя 1. С - шунтирующая сопротивление паразитная емкость, составляющаяся из емкости фотоэлемента, собственной емкости сопротивления и входной емкости первого каскада лампового усилителя, Ь - напряжения на выходе усилителя.Как известно, среднее квадратичное напряжения на выходе усилителя, созда.Д Со 0 ваемого тепловыми флюктуациями в сопротивлении, включенном на входе усилителя, определяется следующей формулой:- о 27 ТР = оЯ(со 12(оэ) во где Т - абсолютная температура, й - постоянная, Я(щ - вещественная часть комплексного сопротивления (зависящего от частоты), в котором происходят тепловые флюктуации, У - коэфициент усиления усилителя (зависящий от ча. стоты).В раса матри вадимом случае, ко гда и рименено омическое сопротивление, шунтиРУЕмое Емкостью, ИЯ(щ)1 =1+ о,о 7 - СКо (Ро - величина сопротивления при постоянном токе).Если коэфициент усиления усилителя от частоты не зависит, то.есть остается постоянным для а от нуля до беско. нечности, то имеет место соотношение: 2 И, 7 ос д в- о 1+ ,Р Р -о Ъ 27 ТЪ.Ко 1 оо 27 ТУЯ. -ИУр С(агс он х) - роо : о Таким образом, полная энергия шума по всему спектру частот от величины сопротивления Ро не зависит и обратно пропорциональна величине паразитной емкости С,В действительности коэфициент уси. ления усилителя не является постоянным во всем, диапазоне частот от нуля до бесконечности. На практике имеют обыч. но более или менее полосный усилитель, т, е, усилитель, коэфициент усиления которого постоянен в некотором диапазоне частот що - щза 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 У 2 =тУ 2- С При усилении переменных токов, занимающих некоторую полосу частот обычно допускается некоторое паденйе усиления на границах этой полосы, Можно принять для простоты за верхнюю1границу полосы частот со = - , при коо торой падение усиления фототоков, происходящее из-за уменьшения напряжения на сопротивлении Й, происходит в /2 раз, за нижнюю же границу частот - нуль Тогда р 27 сТУ (агс 1 д х) 7;Т 1 пС 2 С и энергия шума на выходе усилителя представляет собой половину полной7 г ТУфэнергии шума С . Если рассчитатьэнер. гию шума в полосе частот, в пределах которой коэфициент усиления усилителя постоянен,а ЙоСсо ) 1 (постоянная времени входа усилителя гораздо больше периодов усиливаемых фототоков), та. ким образом, что вещественная часть сопротивления может быть в пределах этой полосы частот выражена так: о 1с 3 оэ2 ИУ 1ооооо Из последнего выражения видно, что с увеличением Ро величина энергии шума в области частот оо - щ 1 будет падать и при Р = со стремиться к нулю, в том случае, если, нижняя граница ча.стот а, сама не равна нулю (верхняя.граница может быть равной и бесконеч.ности). Эта граница может быть темближе к нулю, чем больше йо,Таким образом, при увеличении величины сопротивления Йо, полная возможная (при усилителе, усиливающемвсе частоты от нуля до бесконечности)энергия шумов сосредоточивается в области низких, лежащих около нуля частот, и при К,= со вся возможная полжтная энергия шумов С концентрируется при частоте, равной нулю, во всем жедиапазоне частот, усиливаемых усилителем от частоты, близкой к нулю добесконечности, энергия шума исчезающе мала.Этим путем можно, действительно, избавиться от шума, вызванного тепловымифлюктуациями, но очевидно, что при этомфотоэлектрические токи различной частоты будут усиливаться не одинаково,а обратно пропорционально частоте, таккак сопротивление, включенное в фотоэлектрическую цепь, в случае КОС ) 1,1равно - .о) СДля того, чтобы вновь получить равномерное усиление фототоков по частоте,предлагается в анодную цепь одной изламп усилителя, например 1-ой, как показано на фиг, 2, включить вместо омического сопротивления небольшую, посравнению с внутренним сопротивлениемлампы, самоиндукцию (для чего этулампу лучше выбрать экранированной).Вместе с этим изменится, понятно, и распределение энергии шума по спектручастот но, как далее будет сейчас показано, в конечном диапазоне усиливаемых частот, энергия этого шума будетпопрежнему исчезающе мала,Действительно, в этом случае коэфициент усиления всего усилителя будетУ=5 щЛУ, где 5 - крутизна лампы, ванодную цепь которой включена самоиндукция Е; У - коэфициент усилениявсего остального усилителя, который попрежнему будет считаться постояннымв пределах некоторой полосы частот,например О - со (за пределами же этойполосы частоты - равным нулю). Подставиз в интеграл/ -Я(со )"-в 27,У Ф о значения Я(в) - и У= 5 юЕ 1,1 К ю 2 СО получим г- = - Усо )Мхов - 2 И 1 1 - р Оро2 РТ Р 111 Г 21;Т У 1,"1-опри конечной полосе частот щ энергия шума на выходе усилителя, падая вместе с увеличением Й будет стремиться к нулю при ВО=со 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 1, на выходе усилителя будет равно про. изведению напряжения на сопротивлении, включенном в фотоэлектрическую цепь, на коэфициент усиления усили 1 Ытеля т. е. 1 г= - -, 5 щЕУ= 1 - , У; квадрато) (. Соэтого напряжения будет У-= Р - ,.; - У 2;отношение среднего квадратичного напряжения, вызванного тепловыми флюктуациями к напряжению, вызванному фотоэлектрическим током, будетР 2;Т Ж;Рю 2 Р 131 2 ЛТ зЯ ОС- - ,. Рй;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 усилителя 11 =в случае, когда по 1лоса частот усилителя о = - , КвадратК,Снапряжения на выходе, вызванного фотоэлектрическим током, будет в данномслучае различен для различных частот в пределах полосы частот щ, При частоте нуль он будет равен Р 2=1 К,У, суве. личением частоты он будет падать и при частоте щ =, он будет равенЕсли взять среднее значениеквадрата напряжения У- = 4 1-Р,-1 ., тоЮ ЪТУ 3отношение Ц = - = -- : - Ио) =Чф 2 С 421;Х31 ДоС1Принимая во внимание, что,= щ,Р,С2 И ополучим Ц = --- . Обозначая сопро.3 Р,тивление, включенное в фотоэлектрическую цепь, в этом обычном случае через Й, в отличие от разобранного выше случая, когда это сопротивление обозначалось через Яо, получим для отношения между числами У и УКоВеличина и = - показывает во сколькоИ)раз отношение энергий (или, что то же, квадратов напряжений) шума и полезного эффекта на выходе усилителя, будет в случае применения предложенного спо. соба меньше, чем то же отношение в обычном случае.Величина Р может быть принципиально сделана сколь угодно большой, но практически выше 200 М 2 ее сделать затруднительно. Принимая 340=10 , что соответствует, при практически минимальной емкости С в 30 РР Г, полосе частот в 5 104, получим и = 2000.Снизив во столько раз шум, вызван.ный тепловыми флюктуациями, этим его практически уничтожают, так как тогда преобладающими станут уже шумы, вызванные следующими за тепловыми флюктуациями факторами, напр., шрот- эффектом,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, дПредмет изобретения.1, Способ устранения шума 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 флюктуациями 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 и, 1 в применении к усилителям фото- токов, 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.