Šumovi u elektronskim kolima đ č - leda.elfak.ni.ac.rsleda.elfak.ni.ac.rs/education/digitalna/elektronika/predavanja... · Čovek registruje prisustvo šuma svojim čulina. Ukoliko

Šumovi u elektronskim kolima

1

Definicija i opisivanje šuma

U elektronici postoje korisni signali i svi ostali, koji predsta ljaj š mo epredstavljaju šumove.

Neželjeni i pogrešni signali nazivaju se šumovi!j p g g j

Kada kažemo signal, podrazumevamo korisni signal.

U audio uređajima, korisni signal je željeni zvuk;

u video uređajima željena slika;u video uređajima - željena slika;

u informacionim sistemima - željena informacija;j j

u mernim sistemima – merena veličina...

217. januar 2012. Šumovi


Manifestacija šuma u elektronskim kolimaManifestacija šuma u elektronskim kolima.Čovek registruje prisustvo šuma svojim čulina.Ukoliko je u pitanju zvuk, šum se čuje i ometa praćenje korisnog signala (razgovor telefonom, predavanja,...). On može da se javi kao brum, šuškanje, pucketanje, mešanje dva signala,...U slici se šum manifestuje kao razmazane linije, senka, sneg, “granule”, neprirodne boje,...g, g , p j ,U elektronskom mernom sistemu manifestacije šuma su slične a osnovna karakteristika im je da degradirajuslične a osnovna karakteristika im je da degradiraju željeni signal.



Manifestacija šuma u elektronskim kolimaManifestacija šuma u elektronskim kolimaPrimeri:Zvučni

1 Beli1. Beli

2. Ružičasti

3. Braon

4. El. Stat. pražnjenje



Manifestacija šuma u elektronskim kolimaManifestacija šuma u elektronskim kolimaPrimeri:vizuelni



Manifestacija šuma u elektronskim kolimaManifestacija šuma u elektronskim kolimaPrimeri:vizuelni



Di i l i i li j lji i š d l ihDigitalni signali manje su osetljivi na šum od analognih, pa je većina savremenih sistema bazirana na konverziji

l ih i l di i l jih b danalognih signala u digitalne, njihovu obradu u digitalnom obliku i ponovnu konverziju u analogne i l ( l f ij di TV )signale (telefonija, radio, TV,...)

Smanjenje dimenzija tranzistora dovelo je do neminovnog S a je je d e ja t a sto a dove o je do e ov ogsmanjenja napona napajanja u digitalnim kolima, tako da se margina šuma i tu smanjuje.se g šu u s juje.

Borba sa šumom vodi se i na digitalnom frontu, a očekuju b d ć bilj i k š jise u buduće ozbiljni okršaji.

– zato je nužno da bolje upoznamo protivnika.7


j j p p


Nezavisno od izazivača šumova postoji potreba daNezavisno od izazivača šumova, postoji potreba da ih eliminišemo.

ĆTo je NEMOGUĆA MISIJA!

Možemo samo da se trudimo da smanjimo njihovoMožemo samo da se trudimo da smanjimo njihovo dejstvo.S i i j ž jSa tim ciljem nužno je • da se bolje upoznamo sa prirodom šuma• odredimo njegovu meru – da ga kvantifikujemo• odredimo mesto njegovog nastankaodredimo mesto njegovog nastanka• da ga modelujemo kako bismo simulirali njegovo

dejstvo8


dejstvo


Priroda šuma ista je kao i priroda signala: nastaje kao posledica proticanja struje u kolu.

V ž lik NE ŽELIMO GAVažna razlika: NE ŽELIMO GA

Generalno, struja se definiše kao protekla količina , j pnaelektrisanja u vremenu.Postoje dva osnovna uzroka kretanja elektrona uPostoje dva osnovna uzroka kretanja elektrona u provodniku

električno polje- električno polje - temperatura



P i d šPriroda šuma:Pod dejstvom električnog polja svi elektroni imaju isti smer driftovske komponente brzine.Pitanje je šta je izazvalo to polje, kog je intenziteta, j j j p j , g j ,smera, da li se i koliko brzo menja?Polje može da bude posledica elektromagnetnogPolje može da bude posledica elektromagnetnog zračenja različitog porekla.Termička komponenta uslovljava da se elektroniTermička komponenta uslovljava da se elektroni kreću haotično, približno istom brzinom ali u različitim smerovimarazličitim smerovima.



Prema mestu nastanka šumovi mogu biti

-spoljašnji (eksterni)

ii

- unutrašnji (interni)j ( )



-spoljašnji (eksterni)

Šumovi koji dolaze spolja i ugrožavaju integritet signala posledica su elektromagnetnih zračenja i elektrostatičkih p g jpražnjenja iz:

atmosfere- atmosfere

- kosmosa

- industrijskih postrojenja

- susednih uređaja



- unutrašnji (interni)

Šumovi koji nastaju u samom kolu posledica su protoka naelektrisanja kroz komponente kola:j p

- termički - Johnsonov (beli šum)

- fliker šum (1/f) (ružičasti šum)

efekat sačme shot noise- efekat sačme, shot noise



K išlj č kKroz zamišljenu ravan u poprečnom preseku nepolarisanog provodnika, u svakom trenutku prolazi

liči i b j l k li d žrazličiti broj elektrona, ali posmatrano u dužem intervalu stiče se utisak da nema kretanja elektrona –

d j d t l k k t j d k j lisrednja vrednost prolaska kroz tu ravan jednaka je nuli.Ipak ovo kretanje je glavni uzročnik šuma. Da bi mogao šum da se karakteriše, za njegovo kvantitativno određivanje treba posmatrati efektivnu vrednost koja se definiše kao

∑ −==N

nn ii

Niii 21 )(( ; 22

eff

∑ −==N

n

n

eeN

eee

N21 )(( ; 22

eff


nnNeff


S obzirom da ima smisla kvantitativno posmatrati samo kvadrate struja/napona a ne njihove srednje vrednosti, a kvadrat struje/napona na JEDINIČNOM otporniku ima vrednost snage, uticaj šuma definiše se preko

snage šuma, Pn.g , n

Koristan signal karakteriše korisna snaga, Ps.Teži se da snaga signala bude što veća od snage šumaTeži se da snaga signala bude što veća od snage šuma.Kao mera kvaliteta elektronskog uređaja uvodi se

liči d i l šveličina zvana odnos signal šum.



Odnos signal šum (Signal to Noise Ratio, SNR) d lj k li k l / đ j / ipredstavlja meru kvaliteta kola/uređaja/sistema, a

definiše sa kao količnik snage korisnog signala Ps i snage šuma Pn:

P n

s

PPSNR =

n



Faktor šuma (Noise Factor, NF) predstavlja meru k lit t j č č d fi iš k k lič ik dkvaliteta pojačavača, a definiše sa kao količnik odnosa signal-šum na ulazu i izlazu pojačavača:

i

ul SNRSNRNF =

( ) ( )ilul

iz

SNRSNRSNRNF

SNR

log10log10log10 −=⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

= ( ) ( )izuliz

SNRSNRSNR

NF log10log10log10 ⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

Pojačavač je bolji ako je NF manji idealno NF=1,Pojačavač je bolji ako je NF manji, idealno NF 1, odnosno NF=0dB.



Š di ički j dŠum dinamički menja vrednost u vremenu.



Sa stanovišta rada elektronskog kola važno je da se utvrdi uticaj šuma na pojedinim frekvencijamautvrdi uticaj šuma na pojedinim frekvencijama.Razlaganjem talasnih oblika šuma na sve harmonike i

ik k k t d bij j ktprikazom snage svake komponente, dobijaja se spektar snage šuma u frekvencijskom domenu.

k j k lik i d đ jOn pokazuje koliku snagu ima šum na određenoj frekvenciji u celom frekvencijskom opsegu.



Ukupnu snagu šuma čini zbir svih komponenti šuma.Logično je da će snaga šuma biti veća ako je frekvencijski opseg širi.j p gZato se kao mera šuma uvodi i gustina spektra šuma

.[W/Hz] /n fPS n Δ=gde je Δf frekvencijski opseg (dekada, oktava ili ceo

i )propusni opseg)



G l š b j i lGeneralno, snaga šuma obrnuto je proporcionalna frekvenciji

1βf

Pn1

∝

Zavisno od tipa šuma, β može da uzima različite vrednosti, uključujući i β=0.vrednosti, uključujući i β 0.



Termički - Johnsonov (beli šum)

Nastaje kao posledica kretanja nosilaca naelektrisanja u provodnicima (i poluprovodnicima) pod dejstvom p ( p p ) p jtemperature.

Karakteriše ih haotično kretanje koje daje nultuKarakteriše ih haotično kretanje koje daje nultu srednju vrednost šuma, ali je efektivna vrednost napona/struje šuma veća od nulenapona/struje šuma veća od nule.

Ispoljava se više na većim temperaturama, jer p j p jelektroni dobijaju veću kinetičku energiju.



Termički - Johnsonov (beli šum)

Karakteriše ga ravnomerna raspodela u celom frekvencijskom opsegu, pa se po analogiji sa belom j p g , p p g jsvetlošću koja obuhvata komponente svih ostalih boja (frekvencija) naziva i “beli šum” j ( j )

gustina spektra proporcionalna je temeperaturi.

.[W/Hz] kTS n =


Izvori šuma


Izvori šuma

T ički J h (b li š )Termički - Johnsonov (beli šum)

- najznačajniji izvor šuma u otpornicimanajznačajniji izvor šuma u otpornicima

- vrednost efektivnog napona šuma proporcionalnavrednost efektivnog napona šuma proporcionalna - otpornosti R i

ši i i B- širini propusnog opsega B:

2 [W]. kTRB un 42 =


Izvori šuma

Termički - Johnsonov (beli šum)P iPrimer

300Kna 300K, Sn~4·10-21 W/Hz (k = 1.38 10-23)

za opseg B=1MHz, Pn=4·10-15 W(red veličine snage na prijemnoj anteni) .( ed ve č e s ge p je oj e )


Izvori šuma

Pored termičkog šuma na otpornicima se javlja i višak šuma koji je proporcionalan 1/f.

Nije nezavisan od frekvencije, tako da spada u kategoriju

1/f šum ili fliker (flicker) javlja se u poluprovodnicima:

/Hz][Ak 2a

of2 ii = /Hz].[A nf

i =



Fliker šum (1/f) (ružičasti šum)

Predstavlja driftovsku komponentu šuma.

Vezan je za protok jednosmerne komponente strujeVezan je za protok jednosmerne komponente struje.

Veći je kod ugljeničnih otpornika nego kod žičanih.j g j p g

Javlja se u svim elektronskim komponentama.

Karakteriše ga granična frekvencija ispod koje se smatra da nije dominantan.j

/Hz].[A k 2a

of2n

fII =


f


Fliker šum (1/f) (ružičasti šum)

-3dB/oct

-10dB/dec


Izvori šuma

Ostale BOJEZavise od koeficijenta β

Braon β = 2 Plavi β = -1


Izvori šuma

Ostale BOJE

Si iSivi


Izvori šumaŠum usled efekta sačme - shot noiseManifestuje se kroz nedovoljni nivo signala koji je potreban da bi se detektovao koristan signalpotreban da bi se detektovao koristan signal.Primer, slabo osvetljena slika.

Samo poneki elektroni imaju dovoljno energije da izbiju iz rešetke nove elektrone


Izvori šumaŠum usled efekta sačme - shot noisenastaje na p-n spojevima usled fluktuacije struje difuzije.Amplituda spektra šot šumaAmplituda spektra šot šuma

-ne zavisi od frekvencije- proporcionalna jednosmernoj vrednosti struje kroz spoj Io: /Hz][A2qII 22 /Hz][A 2qII on .=

ako je Io=100μA i opseg šuma iznosi 10kHz, dobija se o

In2=32 (pA2/Hz), odnosno efektivno In=0.57nA



Kako se modeluje šum?Kako se modeluje šum?

A+Su=S+eu

Si=A(S + eu+ ee)

S AS Aee

Si=AS + Aei



Unutrašnji šum, generisan unutar pojačavača (elektronskog sistema), predstavlja se ekvivalentnim šumom na ulazu u pojačavač (elektronski sistem).

On nije korelisan sa spoljašnjim šumom tako da njegovOn nije korelisan sa spoljašnjim šumom, tako da njegov efekat (napon/struja) može da se predstavi u obliku zbira sa spoljašnjim šumomsa spoljašnjim šumom.

Manifestacija internog šuma - nagomilavanje internog šuma iz uređaja: nemoguće je napraviti beskonačno mnogo dobrih kopija g j p g p jod prethodne kopije – bilo da se radi o fotokopiji, zvučnoj kopiji (kaseta) ili video zapisu.


j


Ek i l t i / t j š d lj f k iEkvivalentni napon/struja šuma predstavlja efektivnu vrednost ekvivalentnog naponskog/strujnog generatora

iklj č l id li j č č k jipriključenog na ulaz idealizovanog pojačavača kojim se na izlazu izazivaju isti efekti koji postoje u realnom

j č č k š i i ipojačavaču u kome su šumovi generisani.


Postupci za minimizaciju šuma


Uticaj belog šuma na sistem biće manji ako je propusni i t ži


opseg sistema uži. Ne treba praviti sisteme sa širim opsegom od onog koji nameće spektar signala koji se obrađuje. Ampitudska karakteristika treba da bude što strmija.p j



P t b j d i j č čki t i št ćPotrebno je da prvi pojačavački stepen ima što veće pojačanje snage, kako bi relativna vrednost šumova

i ih t t lih d l j č č bili štgenerisanih unutar ostalih delova pojačavača bili što manji u odnosu na veličinu korisnog signala.



P t i i i i ij šPostupci minimizacije šuma Primenjivati na delovima kola koja su osetljiva na šum 1. otpornici

• birati kvalitetne otpornike (metal-slojne, žičane)birati kvalitetne otpornike (metal slojne, žičane) • birati otpornike veće nominalne snage (manje se

greju)greju)• smanjiti padove napona na otpornicima

2. diode • birati sa manjom otpornošću tela poluprovodnika i j p p p

uvodnika• birati sa manjim koeficientom šuma kf


birati sa manjim koeficientom šuma kf


3 BJT3. BJT• birati manje rB

• birati veće fT

• birati sa manjim koeficientom fliker šuma kfbirati sa manjim koeficientom fliker šuma kf

4. JFET i idi j l š k t• po priroidi je malošumna komponenta

5. MOSFET • nije malošumna komponenta!• povećati površinu gejta do granica koje dopušta C lpovećati površinu gejta do granica koje dopušta Cul


Šta smo naučili?

• Definicija i načini manifestacije šuma u elektronskim uređajima.elektronskim uređajima.

• Tipovi šumova prema prirodi nastanka, mestunastanka i frekvencijskom spektru.

• Postupci za smanjenje uticaja šuma.


Ispitna pitanja

1. Ekvivalentni napon šuma i ekvivalentna struja šuma.2. Odnos signal šum i faktor šuma.g3. Termički šum (priroda, manefestacija i model).4. 1/f šum – fliker (flicker) šum (priroda, manefestacija i model).

Š Š5. Šum efekta sačme –Šot (shot) (priroda, manefestacija i model).6. Interni šum pojedinih elektronski komponenata


4.1.3 Redni stabilizatori - regulatori naponaRešenje 13.1:jZa kolo rednog stabilizatora prikazanog na slici odrediti:a) Izlazni napon VOSb) F k bili ijb) Faktor stabilizacijec) Izlaznu otpornost RizPoznato je: R =200Ω; RP = 50Ω; VO = 10V. Parametri diode su: VZ = 6,8V ; rZ =

10Ω. Parametri tranzistora su: VBE = 0,7V; h11E = 1kΩ; h12E = 0 ; h21E = β = 100 ; h22E = 0..

http://leda elfak ni ac rs/?page=education/elektronika/elektronika htmhttp://leda.elfak.ni.ac.rs/?page=education/elektronika/elektronika.htm

VosVo

VZ, rZVZ, rZ

4310. januar 2012. Izvori jednosmernog napajanja 2

4.1.3 Redni stabilizatori - regulatori naponaRešenje 13.2:jZa kolo rednog stabilizatora prikazanog na slici odrediti:a) Izlazni napon VOSb) F k bili ijb) Faktor stabilizacijec) Izlaznu otpornost RizPoznato je: R1 = R2 = 4kΩ; RP = 2Ω; R = 10kΩ , VO = 40V. Parametri diode su:

VZ = 10V ; rZ = 0Ω. Parametri tranzistora su: VBE = 0,7V; h11E = 1kΩ; h12E = 0 ; h12E = β = 100 ; h22E = 0..

http://leda elfak ni ac rs/?page=education/elektronika/elektronika htmhttp://leda.elfak.ni.ac.rs/?page=education/elektronika/elektronika.htm

VosVo

V rVZ, rZ

http://leda.elfak.ni.ac.rs/?page=education/elektronika/elektronika.htm

4410. januar 2012. Izvori jednosmernog napajanja 2

ISPITNA PITANJA iz predmeta OSNOVI ELEKTRONIKE(moduli EKM, EMT i T )( , )

2012/12Sva pitanja svrstana su u tri kategorije kako bi se studentima

ukazalo na stepen značaja pojedinih delova gradiva.

ELEMENTARNAELEMENTARNApitanja ukazuju na osnovnu poentu sadržanu u svakoj nedelji

nastave.

OBAVEZNA (za 6)pitanja ukazuju na poentu sadržanu na svakom času nastave.

Student NE MOŽE da dobije pozitivnu ocenu ukoliko ne odgovoriStudent NE MOŽE da dobije pozitivnu ocenu ukoliko ne odgovoritačno na pitanja iz ovih kategorija.

454517. januar 2012. Šta smo učili

ISPITNA PITANJA iz predmeta OSNOVI ELEKTRONIKE(moduli EKM, EMT i T )( , )

2012/12Sva pitanja svrstana su u tri kategorije kako bi se studentima

ukazalo na stepen značaja pojedinih delova gradiva.ELEMENTARNA

pitanja ukazuju na osnovnu poentu sadržanu u svakoj nedelji nastave.p j j p j jOBAVEZNA

pitanja ukazuju na poentu sadržanu na svakom času nastave.

Student NE MOŽE da dobije pozitivnu ocenu ukoliko ne odgovori tačno napitanja iz ovih kategorija.

ISPITNA (ocena 7-10)pitanja pokrivaju celokupno gradivop j p j p g


ELEMENTARNA PITANJA

1 K j j l j č č ?1. Koja je uloga pojačavača?

2. Šta prikazuje prenosna karakteristika, a štafrekvencijske karakteristike pojačavača.

3. Karakteristike idealnog operacionog pojačavača.

4. Razlika izmedju modela za velike i male signale.

5 U diti j č č ZE ZB i ZC t išt5. Uporediti pojačavače sa ZE, ZB i ZC sa stanovištapojačanja, ulazne otpornosti i izlazne otpornosti.

6. Uporediti pojačavače sa ZS, ZG i ZD sa stanovišta naponskog pojačanja, ulazne otpornosti i izlazne otpornostiotpornosti.

7. Zašto se koriste višestepeni pojačavači?


ELEMENTARNA PITANJA

8 K k ti t tič f k ij k8. Kako negativna povratna sprega utiče na frekvencijske karakteristike pojačavača?

9. Objasniti fizičko značenje uslova oscilovanja i datimatematičku interpretaciju (napisati odgovarajućeizraze)izraze).

10. U čemu se ogleda osnovna razlika između pojačavačalih i likih i l ?malih i velikih signala?

11. Nacrtati blok šemu sistema pomoću koga se iz mrežnog napona dobija stabilisani jednosmerni napon i talasne oblike napona za izlazu svakog bloka.

12. Uporediti karakteristike linearnih i prekidačkih stabilizatora (regulatora) napona.

48

13. Definicija i načini manifestacije šuma u elektronskimuređajima.



• Hvala:IzvoliteIzvolite, postavite pitanja


Kolokvijum

• Datum: 18.01.2012 sredah• Vreme: 12.00h

• Mesto:• Rezultati:obavestenje do 27.01.2012. na sajtu

http://leda.elfak.ni.ac.rs/


p

Documents

Šumovi u elektronskim kolima đ č - leda.elfak.ni.ac.rsleda.elfak.ni.ac.rs/education/digitalna/elektronika/predavanja... · Čovek registruje prisustvo šuma svojim čulina. Ukoliko