Часть 1

ходимую для ионизации атома кристаллической решетки при соударении. Из-за статистического разброса длины свободного пробега носителей между соударениями моменты возникновения новых носителей заряда и их количество флуктуируют во времени, что приводит к появлению шумового тока. Для обратно включенного p-n-перехода эти флуктуации определяют случайный процесс изменения коэффициента лавинного умножения носителей М. В p-n-переходе спектральная плотность шума лавинного умноже-

ния SIл (ω) = 2qIобр.M 3, где Iобр. – обратный ток через переход. Микроплазменный шум наблюдается в виде ступенчатого сигнала с

амплитудой порядка 10-5 А. Он возникает в сильном электрическом поле, например, в p-n-переходе при напряжении, близком к напряжению электрического пробоя. Шум локализуется внутри перехода на малом участке размером 10-6…10-7 м, где имеются трещины и другие дефекты кристалла, образующие ловушки. Захваченные ловушками заряды увеличивают электрическое поле на этом участке, что способствует локальному лавинному пробою, образованию электронно-дырочной плазмы, а затем ее исчезновению. Процессы образования и разрушения микроплазмы случайны, что и приводит к возникновению шумового тока через переход.

Взрывной шум проявляется в виде хаотических импульсов с мало изменяющейся амплитудой порядка 10-11 A, но случайной и относительно большой длительностью импульсов и интервалов между ними. Предполагается, что этот шум в обратновключенном p-n-переходе приборов обусловлен нерегулярным появлением и исчезновением поверхностных каналов, а в прямовключенных – дефектами кристалла в области перехода, в частности дислокациями, приводящими к образованию крупномасштабных рекомбинационных центров.

Фотонный шум наблюдается в фотоэлектрических и оптоэлектронных приборах и обусловлен дискретной природой принимаемого излучения и фона. Число квантов энергии, попадающих на чувствительную площадь фотоприемника, флуктуирует, что в итоге является причиной шума даже в идеальном (нешумящем) фотоприемнике. Если фотоприемник принимает поток излучения Ф от «черного тела» с температурой Т, плотность фотонов которого N(ν), то спектральная плотность фотонного шума потока

SФ (ν) = 2Фexphν / (kT ) / [exphν / (kT ) −1], (18.5)

где поток фотонов Ф = cSпN(ν)/4; N(ν) = 8π(ν2/c3)/[exp hν/(kT) – 1]; Sп –

площадь чувствительной поверхности фотоприемника; с – скорость света.

351

Шумы вторичной эмиссии наблюдаются, как правило, в вакуумных приборах – лампах, фотоэлектронных умножителях и др. Источником шумов являются флуктуации числа вторичных электронов, выбитых с анода, динода или других электродов. Процесс вторичной эмиссии, в результате которого случайно флуктуирует анодный ток лампы, является статистическим. Спектральная плотность шума анодного тока при вторичной эмиссии вычисляется из соотношения

где σ – коэффициент вторичной эмиссии электронов с анода.

Ионные шумы наблюдаются в приборах с несовершенным вакуумом. Эти шумы обусловлены статистическим характером процесса ионообразования в вакуумных приборах. При бомбардировке катода ионы выбивают электроны и (или) частично компенсируют пространственный заряд у катода. Флуктуации выходящих с катода электронов, а, следовательно, пространственного заряда и тока эмиссии являются причиной появления шумов анодного тока лампы.

Кроме рассмотренных, в электронных приборах имеются и другие источники шума.

18.3. Коэффициент шума. Шумы биполярных транзисторов

Шумовые свойства транзисторов принято оценивать коэффициен- том шума, который определяется как отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к той ее части, которая вызвана усилением шумов генератора сигнала:

где Pш.с.вх – мощность шумов источника входного сигнала; Кр – коэффициент усиления по мощности транзистора.

Для расчета коэффициента шума транзистора можно воспользоваться его физической эквивалентной схемой. Считая элементы эквивалентной схемы нешумящими, дополним ее генераторами шумовых токов и напряжений, отражающими определенные источники шума.

Тепловые шумы в распределенном сопротивлении базы rб' можно учесть, включив в цепь генератор напряжения с внутренним сопротивлением rб'.

352

Для учета дробовых шумов тока базы (1 – h21б)Iэ и избыточных шумов эмиттерного p-n-перехода в эквивалентную схему необходимо вклю-

чить генератор шумового тока iэ.б :

Дробовые и избыточные шумы обратного тока коллектора учитываются включением между базой и коллектором генератора шумового тока

iб.к:

iб2.к = (2qIкб.о + Aк / f )Df .

Дробовые шумы управляемой составляющей тока коллектора h21бIэ можно учесть, если включить между коллектором и эмиттером генератор

шумового тока iк2.э :

i2к.э = 2qh21б IэDf .

В результате эквивалентная схема транзистора с учетом указанных шумовых генераторов и генератора теплового шума сопротивления источ-

ника сигнала Uт2.с = 4rTRc f принимает вид, приведенный на рис. 18.2. Можно считать, что мощность шумов в резисторе нагрузки равна

сумме мощностей шумов от каждого генератора шума. Если обозначить через iшn шумовой ток в нагрузке, обусловленный одним из шумовых генераторов, то мощность шумов в нагрузке, создаваемая этим током,

где iш2 .c – шумовой ток в резисторе нагрузки, вызванный действием на входе транзистора генератора шума.

Из выражения (18.8) следует, что коэффициент шума не зависит от сопротивления нагрузки и его можно рассчитать для случая короткого замыкания на выходе. При этом сопротивлением rк в эквивалентной схеме можно пренебречь, что приведет к упрощению расчетов.

353

Рис. 18.2. Шумовая эквивалентная схема биполярного транзистора

Шумовой ток в нагрузке создается всеми шумовыми составляющими, поэтому для его определения можно воспользоваться методом суперпозиции, в соответствии с которым в схеме оставляют один генератор шума, исключая все остальные, и определяют первую компоненту шумового

тока i12 в нагрузке. Для расчета второй компоненты шумового тока i22 в нагрузке эквивалентная схема представляется с другим генератором шума и т.д. Эти преобразования отражены на рис. 18.3, а...д.

Рис. 18.3. Шумовые эквивалентные схемы биполярного транзистора для определения составляющих шумового тока

354

Определив шумовые компоненты i1, i2 , i3 , i4 и i5 шумового тока коллектора и подставив их значения в уравнение (18.8), получим окончательное выражение для коэффициента шума в виде

Исследования показывают, что коэффициент шума слабо зависит от схемы включения транзистора.

18.4. Шумы полевых транзисторов

Шумы полевых транзисторов определяются тремя основными составляющими: тепловыми шумами, дробовым эффектом и избыточными шумами.

Источником теплового шума в полевых транзисторах являются сопротивление канала и объемные сопротивления истока и стока. Однако вследствие малых значений объемных сопротивлений истока и стока по сравнению с сопротивлением канала можно считать, что тепловые шумы определяются только сопротивлением канала и выражаются формулой Найквиста:

U 2ш.т = 4kTRk Df или iш2 .т = 4kTGk Df ,

где Gk – электропроводность канала.

Источником дробового шума являются флуктуации тока затвора, проходящего через обратносмещенный р-n-переход затвор – канал в полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом, или тока утечки затвора в МДП-транзисторах. Обычно эти шумы оценивают средним значением дробового шума, определяемого по формуле

iш2 .др = 2qIзDf .

Вследствие малого значения тока затвора эта составляющая шума в полевых транзисторах незначительна, и ее часто не учитывают.

На высоких частотах тепловая составляющая шума через емкость обратной связи Сз.с проникает в цепь затвора и вместе с сигналом усиливается транзистором. Поэтому на высоких частотах шумы полевых транзисторов возрастают. Однако это явление наблюдается на частотах, близких к граничным, и поэтому большого практического значения не имеет.

355

На низких частотах наиболее важной составляющей шума в полевых транзисторах является избыточный шум, или 1/f-шум. Источником его могут быть произвольные локальные изменения электрических свойств материалов и их поверхностных состояний. У современных полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом 1/f-шум преобладает над тепловым на частотах, меньших 100 Гц. У МДП-транзисторов 1/f-шум более интенсивен и проявляется на частотах 1...5 МГц и менее.

Эквивалентная шумовая схема полевого транзистора показана на рис. 18.4. Для удобства расчетов действие шумов моделируется включени-

ем в цепь затвора генераторов напряжения и тока. Генератор тока iш.д от-

ражает дробовой шум затвора. Генераторы напряжения U ш.т и U f отражают соответственно тепловой шум сопротивления канала, пересчитанный

в цепь затвора, и избыточный шум. Генератор тока iш.т.инд отражает индуцированный шум затвора, возникающий вследствие проникновения в цепь затвора на высоких частотах (через емкость Сз.c) теплового шума сопротивления канала.

Часто шумовые свойства полевого транзистора оцениваются коэффициентом шума (в децибелах):

Рис. 18.4. Эквивалентная схема полевого транзистора

356

Коэффициент шума характеризует ухудшение отношения сигнал/шум на выходе усилительного каскада за счет внутренних шумов полевого транзистора. В современных полевых транзисторах с управляющим р-n-переходом коэффициент шума не превышает 1...2 дБ (рис. 18.5, а). Коэффициент шума полевых транзисторов, так же как и биполярных, зависит от внутреннего сопротивления источника сигнала Rс и имеет минимальное значение (порядка 1 дБ) при Rс в несколько мегаом (см. рис. 18.5, б).

Рис. 18.5. Зависимость коэффициента шума полевого транзистора: а – от частоты; б – от внутреннего сопротивления источника сигнала

На рис. 18.6 показаны типовые зависимости спектральной плотности

шумовых токов от частоты iш /( f ) , т.е. шум, приходящийся на полосу

f = 1 Гц, для полевых и биполярных транзисторов. Из этих зависимостей видно, что в области низких частот шумы полевых транзисторов с управляющим р-n-переходом (кривая 1) значительно меньше шумов биполярных транзисторов (кривая 2). На высоких частотах меньшими шумами обладают МДП-транзисторы с индуцированным каналом (кривая 3).

f

i2ш

102 104 106 108 Гц

Рис. 18.6. Зависимость спектральной плотности шумовых токов от частоты

357

18.5. Выбор малошумящих транзисторов

Как упоминалось раньше, биполярные транзисторы из-за малого входного шума напряжения имеют наилучшие шумовые параметры при малых значениях сопротивления источника. Шум напряжения еш уменьшается путем выбора транзистора с малым объемным сопротивлением базы rб и режима работы с большим током коллектора (пока h21э остается большим). При больших сопротивлениях источника надо, наоборот, уменьшать шум тока путем снижения тока коллектора.

При большом сопротивлении источника лучшим выбором является полевой транзистор (ПТ). Его шум напряжения может быть уменьшен увеличением тока стока до такого значения, когда крутизна будет наибольшей.

ПТ, предназначенные для работы в малошумящих устройствах, имеют большое значение k (что обычно означает большую входную емкость). Например, у малошумящего 2N6483 емкость Сзи = 20 пФ, а у слаботочного ПТ 2N5902 емкость Сзи = 2 пФ.

На рис. 18.7 и 18.8 показаны сравнительные шумовые характеристики некоторых распространенных и широко используемых зарубежных транзисторов.

Рис 18.7. Входные шумы для транзисторов: а – зависимость входного напряжения шума еш от тока коллектора; б – зависимость входного тока шума iш от тока коллектора; в – зависимость входного тока шума от частоты

358

Рис. 18.8. Входные шумы для полевых транзисторов: а – зависимость входного напряжения шума еш от тока стока; б, в – зависимость входного тока шума iш от частоты для транзисторов различных марок

Контрольные вопросы

1.Что такое флуктуации?

2.Приведите характеристики шумов.

3.Приведите примеры источников шумов и расскажите о природе их происхождения.

4.Приведите шумовые эквивалентные схемы биполярного и полевого транзистора. Объясните происхождение их элементов.

5.Что такое коэффициент шума, чем он оценивается и от чего зависит?

6.Как выбрать транзистор исходя из его шумовых свойств?

7.Сравните по шумовым свойствам полевые и биполярные транзисторы.

8.Что вам известно о шумовых свойствах ЭВП?

Список использованных литературных источников

1.Электронные приборы : учеб. для вузов / В. Н. Дулин [и др.] ; под ред. Г. Г. Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 496 с. : ил.

2.Электронные приборы / А. Л. Булычев [и др.]. – М. : ЛайтЛтд, 2000. – 416 с. : ил.

3.Хоровиц, П. Искусство схемотехники. Т. 1 / П. Хоровиц., У. Хилл. –

М. : Мир, 1986. – 599 с. : ил.

359

Учебное издание

ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

И УСТРОЙСТВА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

В двух частях

Часть 1

Составитель АБРАМЕНКО Сергей Николаевич

Редактор Т. В. Булах

Дизайн обложки И. С. Васильевой

________________________________________________________________________

Подписано в печать 11.03.08 Формат 60х84/16 Бумага офсетная Гарнитура Таймс Печать трафаретная Усл.-печ. л. 20,88 Уч.-изд. л. 20,5 Тираж 150 экз. Заказ 476

________________________________________________________________________

Издатель и полиграфическое исполнение: Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»

ЛИ № 02330/0133020 от 30.04.04 ЛП № 02330/0133128 от 27.05.04 211440 г. Новополоцк, ул. Блохина, 29

360