Часть 1

участков, каждый из которых содержит три ячейки люминофора, которые светятся красным, синим и зеленым цветами. Причем размеры этих ячеек настолько малы и они расположены настолько близко друг к другу, что их свечение воспринимается глазом как суммарное. Это общий принцип построения цветных кинескопов.

Green

Red Blue

Рис. 17.19. Структура цветного кинескопа и классический вариант треугольника цвета

В кинескопах (вообще) отклоняющие катушки получили название строчной и кадровой. При прохождении через строчную катушку пилообразного импульса тока луч (или лучи в цветном кинескопе) прочерчивает на экране горизонтальную линию, которая называется строкой. Затем под действием импульса тока через кадровую катушку луч смещается на величину, приблизительно равную ширине одной строки, и под действием тока строчной катушки прочерчивает следующую строку, и так далее. В результате этого происходит полная засветка экрана кинескопа, которая называется растром. Общее количество строк равно 625. Полезный сигнал, обработанный схемой телевизора, поступает на катод или модулятор кинескопа, модулируя луч по яркости, за счет чего и формируется изображение на экране.

341

Контрольные вопросы

1.Дайте определение термину «электровакуумный прибор». Какие разновидности электровакуумных приборов вам известны?

2.Что такое работа выхода?

3.Расскажите о видах эмиссии.

4.Опишите основные элементы конструкции электровакуумных приборов.

5.Приведите схему включения и расскажите о параметрах электровакуумного диода.

6.Расскажите о принципе работы триода и приведите его ВАХ. Какие параметры по ним определяют?

7.Расскажите о принципе работы, применении и разновидностях

ЭЛТ.

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.Жеребцов, И. П. Основы электроники. – 5-е изд., перераб. и доп. / И. П. Жеребцов. – Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 352 с. : ил.

3.Москатов, Е. А. Электронная техника / Е. А. Москатов. – Таган-

рог, 2004. – 121 с.

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

342

РАЗДЕЛ 10. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Содержание раздела

Шумы электронных приборов. Источники шумов: тепловое движение, дробовой эффект, процессы генерации и рекомбинации, токораспределение, поверхностные явления. Спектральная характеристика шумов. Методы оценки шумовых свойств. Эквивалентные шумовые схемы полупроводниковых приборов.

Методические указания [1, с. 105 – 108, 308 – 311; 2, с. 352 – 364]

Изучив основные характеристики и параметры шумов в электронных системах, разобраться в разновидностях и механизмах возникновения шумов в электронных приборах.

Научиться на примерах эквивалентных шумовых моделей анализировать поведение групп электронных приборов и синтезировать пути улучшения шумовых параметров и характеристик.

Уметь по шумовым параметрам выбирать группы электронных приборов для использования в различных условиях по частотному, эксплуатационному, усилительному и другим критериям.

Вопросы для самопроверки

1.Какие виды шумов преобладают в различных видах групп электронных приборов: диодах, транзисторах, ЭВП?

2.Какой из видов транзисторов обладает наилучшими шумовыми характеристиками?

3.Как устранить тепловой шум?

4.Что является природой фликкер-шума?

5.Как выбрать малошумящий усилительный элемент?

Рекомендуемая литература

1.Жеребцов, И. П. Основы электроники. – 5-е изд., перераб. и доп. / И. П. Жеребцов. – Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. – 352 с. : ил.

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

343

Лекция 18. Шумы электронных приборов

Термины: флуктуации, дисперсия шума, спектральная плотность

мощности, тепловой шум, дробовой шум, 1/f-шум (избыточный шум), фликкер-шум, генерационно-рекомбинационный шум, шумы токораспределения, коэффициент шума.

18.1.Общие сведения

18.2.Источники шумов в электронных приборах

18.3.Коэффициент шума. Шумы биполярных транзисторов

18.4.Шумы полевых транзисторов

18.5.Выбор малошумящих транзисторов

18.1. Общие сведения

Даже при идеальном постоянстве питающих напряжений количество поступающих в выходную цепь прибора свободных носителей заряда в единицу времени изменяется, при этом выходной ток электронного прибора беспорядочно колеблется около своего среднего значения Iср.. Эти беспорядочные отклонения тока от среднего значения называют флуктуация- ми. Флуктуации тока невелики и составляют 10-7 А. Несмотря на малую величину, флуктуации оказывают существенное влияние на работу радиотехнических устройств. Будучи усилены, флуктуации на выходе, например, усилителей звуковой частоты создают в громкоговорителе характерное шипение и шум. В радиолокации и телевидении флуктуации токов электронных приборов проявляются на экранах ЭЛТ в виде беспорядочно перемещающихся точек различной яркости. Флуктуации токов принято называть собственными шумами электронных приборов. Собственные шумы определяют минимальную (пороговую) величину сигнала, при которой он еще не заглушается шумами и может быть воспроизведен без искажений или обнаружен на фоне шумов. Шумы присущи всем электронным приборам без исключения и принципиально неустранимы. Причины возникновения шумов различны: спонтанные флуктуации скоростей генерации и рекомбинации носителей заряда, захват носителей ловушками, случайные

344

распределения носителей по электродам прибора, флуктуации скоростей диффузии, плотности носителей, случайные изменения тока из-за хаотической модуляции проводимости различных областей прибора и др. Шумы приборов ограничивают нижний предел сигналов, которые можно обнаружить, усилить и измерить, т.е. шумами определяется пороговая чувствительность прибора. Частотный спектр шумов всегда превышает диапазон рабочих частот прибора.

В электронных приборах шумы рассматриваются как случайно изменяющаяся функция времени: x(t) – стохастический процесс, который стационарен. Основными статистическими характеристиками шумов являются:

- дисперсия шума σ2x = x2(t) – средний квадрат флуктуации, характеризующий энергию шума x(t) с математическим ожиданием x(t)= 0;

-автокорреляционная функция φх(τ), характеризующая меру «памяти» процесса, т.е. статистическую связь между двумя значениями функции x(t), отделенными интервалом τ. Чем медленнее развивается процесс x(t), тем на большем интервале τ наблюдается взаимосвязь между мгновенными значениями случайной величины x(t). При τ = 0 φх(0) = σ2x;

-спектральная плотность мощности, определяющая среднюю спектральную составляющую шума на частоте ω в полосе частот 1 Гц.

Для оценки взаимосвязи между стационарными процессами x(t) и y(t) на входе и выходе прибора вводят:

-функцию взаимной спектральной плотности, характеризующую подобие двух сигналов в частотной области;

-функцию взаимной корреляции;

-функцию когерентности, показывающую, какая часть мощности процесса x(t) эффективно связана с мощностью процесса y(t);

-коэффициент корреляции, оценивающий сходство двух стационарных процессов во временной области.

Функция когерентности может рассматриваться как эквивалент в частотной области коэффициента корреляции. Преимущество функции когерентности перед функцией взаимной корреляции заключается в возможности эффективного распознавания сходных частотных составляющих в процессах x(t) и y(t).

345

18.2.Источники шумов в электронных приборах

Кнаиболее часто встречающимся видам шумов в электронных приборах относят тепловой, дробовой, генерационно-рекомбинационный, l/f- шум, шум токораспределения, лавинного умножения, микроплазменный, взрывной, фотонный, вторичной эмиссии, ионный и др.

Тепловой шум – это флуктуации тока или напряжения, обусловленные тепловым движением свободных носителей. В результате хаотического движения свободных носителей происходит случайное перераспределение носителей в среде, приводящее к флуктуации концентрации носителей, а, следовательно, и тока, протекающего через нее. Электронные приборы часто представляют в виде эквивалентного шумового резистора.

Спектральная плотность теплового шума резистора по всей полосе частот – величина постоянная, т.е. SUт (ω) = 4kTR , где R – сопротивление

резистора. При комнатной температуре T = 293 К значение 4kT ≈ 1,6∙10-20 Дж, соответственно SUт (ω) =1,6∙10-14 В2∙Гц-1 для сопротивления R = 106 Ом. Среднеквадратическое значение шумовой ЭДС на резисторе или шумового

тока через резистор в полосе частот				f определяется соотношением
		ш2 = 4kTR f = S	(ω)	f ;		ш2 = 4kTR−1 f = S		(ω) f .	(18.1)
	u				i		Iт
		Uт

Здесь SIт (ω) – спектральная плотность шумового тока при коротком замыкании выводов резистора. Введение источников шумовой ЭДС или шумового тока позволяет изобразить эквивалентную схему резистора на рис. 18.1, где R – идеальный (нешумящий) резистор.

Во многих случаях шумы удобно оценивать мощностью, отдаваемой шумящим сопротивлением в согласованную нагрузку Rн = R·Т. С учетом соотношений (18.1) получим формулу Найквиста:

Pш = kT f ,

из которой следует, что мощность шума не зависит от сопротивления R, если оно согласовано с нагрузкой. В полосе частот f = 1 Гц минимально возможная мощность шума Pш.min= kT. При комнатной температуре T = 293 К Pш.min ≈ 4∙10-21 Дж и определяет минимальную мощность сигнала, усиливаемую прибором, или предельную чувствительность прибора по мощности. Тепловые флуктуации поддерживают тепловое равновесие но-

346

сителей в резисторе, обеспечивая в среднем возвращение к нему при случайных отклонениях. Поэтому тепловой шум – неустранимое явление в любом резистивном материале.

Рис. 18.1. Эквиваленты шумовых генераторов напряжения (а) и тока (б)

Дробовой шум электронных приборов связан со статистическим характером процесса преодоления носителями потенциального барьера. В полупроводниковых приборах этот барьер возникает при контактах материалов с различным типом проводимости. В электронных лампах барьер образуется на границе катод – вакуум и определяется работой выхода электронов. Акты прохождения носителей через потенциальный барьер представляют последовательность независимых случайных событий, а за одинаковый промежуток времени число носителей, преодолевших барьер, оказывается различным. Появляются флуктуации тока, обусловленные случайным распределением скоростей частиц и их энергий, моментов начала их движения.

Дробовой шум имеет равномерный спектр. Из-за конечного времени пролета носителей на высоких частотах появляется частотная зависимость спектральной плотности дробового шума.

Генерационно-рекомбинационный шум наблюдается в основном в полупроводниковых средах и обусловлен флуктуациями концентрации носителей в результате статистического характера актов генерации и рекомбинации. При каждом акте генерации или рекомбинации изменений в общем распределении зарядов в полупроводнике не возникает, поскольку одновременно исчезают или появляются пары носителей, а релаксацион-

347

ный процесс, связанный с нарушением электрической нейтральности, отсутствует. Наличие глубоких уровней в запрещенной зоне приводит к захвату одного из носителей (электрона или дырки), который становится связанным, т.е. появляется отклонение заряда свободных носителей от первоначального значения. Возникает процесс релаксации заряда свободных носителей и, следовательно, ток, направленный либо к центру рекомбинации (для электронов), либо из центра генерации (для дырок). Для восстановления равновесного распределения неосновных носителей в полупроводнике появляются локальные диффузионные токи, а через внешнюю цепь протекает суммарный ток Iдф. При среднем числе актов генерации и рекомбинации N0, среднеквадратическом отклонении от среднего числа

актов генерации и рекомбинации N 2 и времени жизни носителей τ0 спектральная плотность генерационно-рекомбинационного шума в примесном полупроводнике

S	I гр	(ω) = 4I 2	(	N 2 )τ			/[1+ (ωτ		)2	].	(18.2)
		дф		N02		0		0

Генерационно-рекомбинационный шум в обедненной области идеального p-n-перехода отсутствует. Однако в реальных переходах, и особенно в кремниевых диодах, он существует и вызван актами генерации и рекомбинации на центрах рекомбинации с одиночными уровнями в запрещенной зоне полупроводника. Механизм возникновения этого шума состоит в следующем. Носитель, диффундирующий в обедненную область перехода, попадает на центр рекомбинации, захватывается им и остается там некоторое время. Во внешней цепи при исчезновении носителя возникает элементарный импульс тока. Совокупность таких импульсов образует ток рекомбинации. Он содержит среднюю составляющую Iр, определяемую средним числом захватов носителей, и случайную – как отклонение от среднего, т.е. шум. При генерации носителя центром рекомбинации поле электрического перехода переводит носитель в область, где он становится основным. Этому процессу также соответствует элементарный импульс во внешней цепи, но противоположной полярности. Сумма таких импульсов образует генерационный ток, имеющий среднюю Iг и флуктуационную составляющие. Если p-n-переход несимметричный и находится под внешним

348

напряжением, спектральные плотности токов генерации и рекомбинации определяют из соотношений SIг(ω) = 2qIг и SI P(ω) = 2qIp. Эти формулы по форме записи совпадают с выражением для дробового шума, но отличаются по значению спектральных плотностей.

1/f-шум (избыточный шум, фликкер-шум) наблюдается в области низких частот практически во всех материалах и элементах электронных приборов, собственных полупроводниках, электрических переходах: металлических пленках, электролитах, сверхпроводниках, лампах с термокатодами и др. Механизм возникновения шума во всех этих материалах и элементах приборов точно не установлен. Однако спектральная плотность шума уменьшается приблизительно обратно пропорционально частоте по закону А/f a, где А – некоторая константа; а = 0,8…1,4 – коэффициент. Отсюда происходит название 1/f-шум. В области низких частот до 105 – 106 Гц для большинства электронных приборов l/f-шум на 1 – 2 порядка превышает шумы других видов. Поэтому 1/f-шум часто называют избыточным. Механизм возникновения 1/f-шума обусловлен медленными случайными флуктуациями физико-химического состояния отдельных областей материалов.

В полупроводниковых приборах 1/f-шум можно рассматривать как суперпозицию генерационно-рекомбинационных составляющих. Дефекты кристалла, наличие примесей на его поверхности, образование тонкой инородной поверхностной пленки, наличие на поверхности влаги, загрязнений, адсорбированных газов и других включений приводит к появлению в поверхностном слое полупроводника генерационно-рекомбинационных центров (ловушек). Случайный характер процессов генерации и рекомбинации носителей на этих центрах вызывает медленные флуктуации тока через полупроводник. Из-за изменения концентрации свободных носителей в объеме полупроводника хаотически изменяется скорость рекомбинации носителей в его поверхностном слое.

Флуктуации в процессе заполнения носителями ловушек приводят к изменению проводимости полупроводников и скорости поверхностной рекомбинации. Появляется поверхностный шум.

Для p-n-переходов с границей на поверхности кристалла флуктуации скорости поверхностной рекомбинации создают шумовой ток неосновных носителей. Случайный характер исчезновения носителей заряда на по-

349

верхности кристалла вызывает флуктуации тока через р-n-переход и хаотическое изменение его дифференциального сопротивления.

Вполупроводниковых приборах с обратно включенным p-n- переходом возникает другая составляющая l/f-шума – шум тока утечки. Утечка тока создается проводящей пленкой по периметру перехода на поверхности кристалла. Спонтанные флуктуации сопротивления пленки приводят к шуму тока утечки, среднеквадратическое значение которого также зависит от параметров окружающей среды.

Таким образом, 1/f-шум, как и дробовой, связан с прохождением тока через полупроводник или другой материал. Но в отличие от дробового 1/f- шум не генерируется этим током.

Шумы токораспределения являются результатом статического характера процесса распределения носителей между электродами прибора.

Вмногоэлектродных лампах и других вакуумных приборах флуктуации поперечной составляющей скорости электронов приводят к изменению количества электронов, попадающих на сетки и прошедших через них. Поэтому в цепи анода лампы возникают флуктуации тока. Коэффициент токораспределения kп пентода в режиме усиления характеризует процесс распределения электронов между анодом и экранирующем сеткой. Спектральная плотность шума токораспределения в анодной цепи пентода

	SIтр (ω) =	2qkп		(Г 2IA + IC2 ).	(18.3)
		kп +1

В биполярном транзисторе по схеме ОБ шумы токораспределения обусловлены случайными флуктуациями коэффициента переноса эмиттерного тока из-за отклонения числа актов рекомбинации в его базе от среднего значения. Этому случайному процессу соответствует спектральная плотность тока коллектора

SIKтр (ω) = 2q(1− ) IЭ.

(18.4)

По форме записи спектральные плотности шума токораспределения (18.3) и (18.4) совпадают со спектральной плотностью дробового тока. Но

вэлектронных приборах коэффициенты kп и частотно-зависимы, поэтому спектр шума отличен от равномерного.

Шумы лавинного умножения наблюдаются при ускорении носителей

всильных электрических полях, где носители приобретают энергию, необ-

350