Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp
Chöông 4
NHIEÃU VAØ KHUEÁCH ÑAÏI NHIEÃU THAÁP
4.1. ÑAËT VAÁN ÑEÀ
Nhieãu (Taïp aâm) laø tín hieäu khoâng mong muoán, xuaát hieän töø nhieàu nguoàn
khaùc nhau (döôùi daïng ñieän aùp hay doøng ñieän) cheøn vaøo tín hieäu höõu ích laøm
giaûm chaát löôïng tín hieäu thu daãn ñeán sai leäch thoâng tin.
Nhieãu vaán ñeà raát quan troïng cuûa ñieän töû thoâng tin vaø xöû lyù tín hieäu.
Chaát löôïng thu cuûa heä thoáng ñieän töû thoâng tin ñaùnh giaù theo tyû soá coâng
suaát tín hieäu treân coâng suaát nhieãu ngoõ vaøo maùy thu.
)nhieãucuûabìnhtrungsuaátcoâng(P
)hieäutíncuûabìnhtrungsuaátcoâng(P
N
S
N
S
=
hay
N
S
P
P
lg10)dB(
N
S=
N
S
chæ söï töông quan ñoä maïnh cuûa tín hieäu so vôùi nhieãu. Neáu
N
S
nhoû hôn
giaù trò aán ñònh ngöôõng, tín hieäu thu khoâng ñaït chaát löôïng, thoâng tin bò sai leäch.
Nhieãu coù theå ñöôïc chia thaønh hai loaïi:
-Nhieãu ngoaøi: gaây ra bôûi moâi tröôøng truyeàn.
-Nhieãu trong (noäi) gaây ra do thieát bò thu.
1. Nhieãu ngoaøi:
a) Nhieãu nhaân taïo: gaây ra bôûi caùc cô cheá tia löûa ñieän nhö: ñoäng cô ñieän
ñeøn huyønh quang, ñaùnh löûa ñoäng cô xe, … chuùng ñeán anten thu theo caùch gioáng
nhö tín hieäu voâ tuyeán. Nhieãu naøy xuaát hieän ngaãu nhieân ôû vuøng taàn soá döôùi
500MHz.
b) Nhieãu khí quyeån: moät daïng nhieãu ngaãu nhieân gaây bôûi söï xaùo ñoäng
baàu khí quyeån traùi ñaát, chuû yeáu do saám chôùp. Phoå cuûa noù ñöôïc xem nhö laø voâ
haïn, nhöng coù maät tyû leä nghòch vôùi taàn soá do ñoù thöôøng chæ gaây aûnh höôûng
trong vuøng taàn soá nhoû hôn 20MHz.
c) Nhieãu vuõ truï: gaây ra bôûi böùc xaï maët trôøi, maët traêng, sao, thieân haø …
Chuùng coù phoå töø 8MHz ñeán l,5GHz. Thaät ra chuùng coù chöùa thaønh phaàn taàn soá
thaáp hôn 8MHz, tuy nhieân caùc thaønh phaàn ñoù bò haáp thuï bôûi taàng ñieän ly cuûa
traùi ñaát tröôùc khi ñeán maët ñaát.
2. Nhieãu trong
Nhieãu trong hay coøn goïi laø nhieãu noäi ñöôïc taïo ra bôûi chính maùy thu. Nhö
vaäy ngoaøi söï hieän dieän cuûa nhieãu ngoaøi ôû ngoõ vaøo maùy thu, coøn coù nhieãu
noäi quy veà ngoõ vaøo, gaây aûnh höôûng maïnh nhaát taïi taàng khueách ñaïi ñaàu tieân
cuûa maùy thu (Rx) vì taïi nôi ñaây tín hieäu thu coù möùc nhoû nhaát treân neân nhieãu lôùn
nhaát do ñoù
N
S
nhoû nhaát. Caùc taàng khueách ñaïi sau taàng ñoåi taàn cuõng taïo nhieãu
nhöng ít aûnh höôûng so vôùi taàng ñaàu. Maùy thu phaûi ñöôïc thieát keá caån thaän vôùi
Maïch ñieän töû 3
37
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp
ñaëc tính nhieãu thaáp. Taàng khueách ñaïi cao taàn nhieãu thaáp ngoõ vaøo R
x coøn goïi
laø khueách ñaïi nhieãu thaáp LNA (Low Noise Amp).
Nhieãu noäi ngaãu nhieân trong maùy thu phaàn lôùn ôû daïng
nhieãu nhieät, nhieãu shot, nhieãu l/f, transit - time noise.
Nhieãu ngaãu nhieân noùi chung, ñöôïc moâ taû baèng ñaëc tuyeán
thoáng keâ. Taïi moãi thôøi ñieåm, bieân ñoä nhieãu khoâng theå döï ñoaùn
chính xaùc, nhöng coù theå dieãn ñaït qua haøm maät ñoä xaùc suaát.
Giaù trò trung bình bình phöông cuûa ñieän aùp hay doøng ñieän
nhieãu ñöôïc dieãn taû nhö coâng suaát nhieãu. Ngoaøi ra nhieãu cuõng
thöôøng bieåu dieãn döôùi daïng haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu
(W/ Hz).
4.2. NHIEÃU NHIEÄT (THERMAL NOISE)
Nhieãu nhieät gaây ra bôûi söï dòch chuyeån ngaãu nhieân cuûa caùc ñieän töû vaø
ioân trong caùc vaät daãn, ñieän trôû. Noù ñöôïc nghieân cöùu vaø phaùt hieän bôûi J.B
Johnson naêm 1928 neân coøn goïi laø nhieãu Johnson. Nhieãu nhieät phaùt sinh ôû daïng
ñieän aùp hay doøng ñieän phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä, coù phoå traûi daøi voâ haïn neân
coøn coù teân laø nhieãu traéng.
Coâng suaát nhieãu nhieät xaùc ñònh bôûi:
N = P
n = k.T.B
k - haèng soá Boltzmann 1,83.1023J/K
T - nhieät ñoä tuyeät ñoái ñieän trôû, tính baèng ñoä K (X0C+2730)
B - baêng thoâng heä thoáng ñang xeùt (Hz).
Coâng suaát nhieãu tyû leä vôùi baêng thoâng, do ñoù ñeå giaûm
coâng suaát nhieãu caùc maùy thu caàn thieát keá sao cho coù baêng
thoâng laø nhoû nhaát.
Xeùt nguoàn nhieãu gaây ra bôûi ñieän trôû R coù gaén taûi phoái
hôïp RL.
Khi ñoù ñieän aùp nhieãu en seõ chia ñoâi treân
R vaø RL. Coâng suaát nhieãu treân ñieän trôû R seõ
laø:
( )
B.T.k
R
2/E
PN
2
n
nther ===
.
Ñieän aùp hieäu duïng nhieãu cuûa ñieän trôû R
phaùt sinh nhieãu:
R.B.T.k4En=
hay En2 = 4k.T.B.R
Ví duï: Tìm ñieän aùp nhieãu taïo ra bôûi ñieän trôû R = 1MΩ ôû nhieät ñoä phoøng 17
0C
treân baêng
thoâng 1MHz.
Giaûi:
AÙp duïng coâng thöùc:
( )
V12610.10.17273.10.38,1.4R.B.T.k4E 6623
nµ=+== −
Maïch ñieän töû 3
38
R.fkT4E
n
∆=
R
R
L
Hình 4.1. Maïch töông
ñöông nguoàn nhieãu coù
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp
Töø ví duï treân ta thaáy raèng moät volt keá vôùi trôû khaùng ngoõ vaøo 1MΩ coù
baêng thoâng 1MHz seõ taïo ra moät ñieän aùp nhieãu 126 µV taïi ñaàu vaøo. Do vaäy moät
tín hieäu khoaûng 500 µV hoaëc nhoû hôn seõ ño khoâng chính xaùc baèng volt keá coù
baêng thoâng nhö treân nhöng trôû khaùng ngoõ vaøo chæ 50Ω vaø chæ gaây ra moät ñieän
aùp nhieãu 0,9 µV. Ñieàu naøy lyù giaûi taïi sao trôû khaùng thaáp laø ñieàu mong muoán
ñoái vôùi caùc maïch nhieãu thaáp.
Ví duï: Moät boä khueách ñaïi hoaït ñoäng ôû 27
0C coù baêng thoâng 4MHz, ñieän
trôû ngoõ vaøo 100Ω. Ñoä lôïi ñieän aùp 200Ω; tín hieäu ngoõ vaøo hieäu
duïng 5 µV. Xaùc ñònh tín hieäu vaø nhieãu ôû ngoõ ra, giaû söû boû qua
nhieãu ngoaøi.
Giaûi:
Möùc nhieãu ngoõ vaøo:
( )
V57,2100.10.4.27273.10.38,1.4R.B.T.k4E 623
nµ=+== −
Möùc nhieãu ngoõ ra E
no = 200.2,57 = 0,514 mV
Möùc tín hieäu ngoõ ra Vo = 200.5 = 1mV.
Tyû soá ñieän aùp tín hieäu treân nhieãu ngoõ ra
95,1
514,0
1
E
V
no
o==
Ñaây laø moät tyû soá khoù ñöôïc chaáp nhaän cho moät boä
khueách ñaïi trong moät heä thoáng thoâng tin.
Bình phöông ñieän aùp nhieãu gaây bôûi hai ñieän trôû maéc noái
tieáp
En2 = En12 + En22 = 4k.T(R1 + R2).B
R
1
R
1
+ R
2
BkTR4E
1
2
1n
=
BkTR4E
2
2
2n
=
R
2
B)RR(kT4EEE
21
2
2n
2
1n
2
n
+=+=
Töông töï, ñieän aùp nhieãu bình phöông cuûa hai ñieän trôû maéc
song song laø:
B.
RR
R.R
.T.k4E
21
21
2
n+
=
Noùi chung, nhieãu nhieät khoâng chòu aûnh höôûng bôûi doøng
ñieän chaûy qua ñieän trôû (tröø ñieän trôû Carbon - thöôøng duøng trong
thieát bò ñieän töû phoå thoâng nhö ampli, ñieàu khieån ñieän töû, khoâng
phuø hôïp vôùi phaàn cao taàn maùy thu) doøng ñieän aûnh höôûng tôùi
nhieãu ñöôïc taïo ra trong baùn daãn döôùi daïng nhieãu baùn daãn.
Maïch ñieän töû 3
39
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp
4.3. NHIEÃU BAÙN DAÃN (TRANSISTOR NOISE)
Moät nguoàn nhieãu ngaãu nhieân quan troïng caàn xeùt trong thieát keá maïch laø
nhieãu cuûa caùc phaàn töû tích cöïc baùn daãn : diode, BJT, FET, IC … goàm nhieàu taàn
soá thaáp (excess noise). nhieãu taàn soá cao (Transit - time noise) vaø ñaëc bieät laø nhieãu
shot.
a) Excess noise: phaùt minh bôûi khuyeát taät beà maët tinh theå baùn daãn. Ñoái vôùi
BJT, FET xaûy ra taàn soá döôùi 1 KHz, haøm maät ñoä phoå coâng suaát nhieãu tyû leä
nghòch vôùi taàn soá, tyû leä thuaän vôùi nhieät ñoä vaø doøng DC. Noù coøn goïi laø nhieãu
Flicker hay nhieãu 1/f.
b) Transit - time noise: xuaát hieän ôû vuøng taàn soá cao quanh taàn soá cutoff cuûa
thieát bò, khi thôøi gian di chuyeån cuûa ñieän tích qua moái noái coù theå saùnh ñöôïc vôùi
chu kyø cuûa tín hieäu, seõ coù moät ít ñieän tích khueách taùn ngöôïc trôû laïi nguoàn hoaëc
Emitter.
c) Shot noise: gaây ra bôûi baûn chaát dòch chuyeån cuûa doøng ñieän trong chaát
baùn daãn. Caùc haït mang ñieän trong chaát baùn daãn khoâng di chuyeån thaønh doøng
moät caùch lieân tuïc oån ñònh, ngay caû doøng DC bôûi vì khoaûng caùch maø chuùng di
chuyeån phuï thuoäc moät caùch ngaãu nhieân vaøo ñöôøng chuyeån ñoäng.
Khi coù doøng ñieän chaûy qua tieáp giaùp P-N phaân cöïc thuaän thì phaùt sinh
doøng ñieän nhieãu shot:
B.qI2I DCn =
hay I
n2 = 2qIDC.B
q - ñieän tích ñieän töû l,6.l0-19C
IDC - doøng DC
B- baêng thoâng
Moâ hình nhieãu shot khi thôøi gian di chuyeån cuûa ñieän tích qua
tieáp giaùp nhoû hôn chu kyø tín hieäu.
DC
dqI
kT
r=
rd - ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp phaân cöïc thuaän diode.
i
n
I
DC
Hình 4.1. Moâ hình nhieãu shot.
DC
d
I.q
kT
r=
Gioáng nhö nhieãu nhieät, nhieãu shot hoaøn toaøn ngaãu nhieân vaø
coù maät ñoä phoå coâng suaát baèng phaúng traûi theo taàn soá.
Ví duï: Xaùc ñònh doøng nhieãu vaø ñieän aùp nhieãu töông ñöông cuûa diode coù moâ hình
treân. Cho IDC = l mA ; B = 10MHz; to = 17oC.
Maïch ñieän töû 3
40
Chöông 4 - Nhieãu vaø khueách ñaïi nhieãu thaáp
Giaûi:
B.qI2I DCn =
= 56,6 nA
Ñieän trôû ñoäng tieáp giaùp
Ω==== 26
)mA(I
)mV(26
qI
kT
rr
DCDC
dJ
(taïi nhieät ñoä phoøng
17
0C).
En = In.rd = 56,6.10-9.26 = 1,47 µV
4.4. MAÄT ÑOÄ PHOÅ COÂNG SUAÁT NHIEÃU VAØ TÍNH
TOAÙN
Ñeå tính toaùn nhieãu cuûa maïch, caàn xaùc ñònh nhieãu cuûa caùc thaønh phaàn
maïch. Coâng suaát nhieãu cuûa caùc nguoàn nhieãu coäng laïi thaønh toång coâng suaát
nhieãu cuûa maïch.
Giaû söû P
n laø toång coâng suaát nhieãu coù ñöôïc trong baêng thoâng
B. Ta coù
)Hz/W(kT
B
P
B
N
Nn
o===
- coâng suaát nhieãu ôû baêng thoâng 1
Hz coøn goïi laø maät ñoä phoå nhieãu. Khi xem xeùt nhieãu trong maïch
coù phaàn töû baùn daãn, ñieän trôû ta seõ tính ñieän aùp nhieãu, doøng
nhieãu, maät ñoä phoå nhieãu, coâng suaát nhieãu. Sau ñoù tính nhieãu
vôùi baêng thoâng xem xeùt.
Ví duï: Cho maïch sau ôû to = 27oC.
BPF
lyù töôûng
R
D, Si
20K
V
rms
volmeter
+10V
KHz100f =∆
Hình 4.3.
Maät ñoä phoå ñieän aùp nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:
)Hz/V(R.T.k4
B
E2
2
n=
Töông töï coù maät ñoä phoå doøng nhieãu nhieät cuûa ñieän trôû R:
2
2
n
2
2
n
ther
2
n
R
B
E
B
R
E
B
I==
R - ñieän trôû gaây ra nhieãu nhieät.
Maät ñoä phoå doøng nhieãu shot cuûa diode:
DC
2
nI.q2
B
I=
Maïch ñieän töû 3
41