Шумы электронных приборов общие положения

Если на выход усилителя, выполненного на электронных приборах, подключить телефон, то можно услышать характерный шум, который дает усилитель. Этот шум будет наблюдаться даже в том случае, когда усилитель питается от идеального источника постоянного тока, а входные зажимы усилителя закорочены. Шумы на выходе усилителя можно наблюдать с помощью осциллографа или вольтметра переменного тока, который покажет на выходе некоторое напряжение.

Основными источниками шумов являются шумы полупроводниковых приборов, электронных ламп и сопротивлений, обусловленные происходящим в этих приборах процессом движения дискретных электрических зарядов. Изменение количества электронов в единицу времени создают непрерывные колебания тока около какой-то постоянной средней величины. Эти колебания называются флуктуациями тока, которые обусловлены дискретной природой электричества. Таким образом, шумы усилительных элементов представляют собой малые беспорядочные колебания (флуктуации) выходного тока около своего среднего значения (рис. 10.1). Собственные шумы электронных ламп и транзисторов ограничивают предел возможного усиления малых сигналов.

Рис. 10.1. Временная зависимость выходного тока (напряжения) при закороченных входных зажимах усилителя

Шумовые свойства транзисторов и ламп определяются следующими составляющими: так называемым дробовым шумом, шумом, обусловленным перераспределением тока между электродами усилительного элемента; шумом, вызванным эффектом мерцания эмиттирующих электродов (фликкер-эффект); тепловым шумом. Напряжение собственных шумов усилительного устройства измеряют при закороченных по переменному току входных зажимах, т. е. при U_вх = 0.

Шумы транзисторов

Основными составляющими собственных шумов транзисторов являются тепловые, дробовые и избыточные шумы.

Тепловые шумы определяются хаотическим тепловым движением носителей заряда в объеме полупроводника или проводника. В результате на концах проводника, обладающего определенным сопротивлением, действует случайная флуктуационная ЭДС, которая называется ЭДС теплового шума Е_шт. Тепловые шумы имеют равномерный частотный спектр (белый шум) и оцениваются среднеквадратичной ЭДС шума:

E_шт²=4kTR_шП_ш (10.1а)

где k=1,37-10^-23 Дж/К—постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; R_ш— эквивалентное «шумовое» сопротивление; П_ш — полоса частот, в которой рассчитывается ЭДС шума.

В транзисторах тепловые шумы в основном определяются объемным сопротивлением базы, так как объемное сопротивление эмиттера и коллектора мало за счет большой концентрации носителей в них.

Среднеквадратическая ЭДС теплового шума транзистора

E_шт²=4kTr_бП_ш (10.16)

где r_б — объемное сопротивление базы.

Дробовые шумы определяются неравномерностью во времени плотности потока носителей заряда коллекторного, эмиттерного и базового токов. ЭДС дробовых шумов складывается из шумов, вносимых переходами эмиттер — база и коллектор — база:

E_шэ²=2qr_э²(I_Э+I_ЭБ0)П_ш, (10.2)

где q— заряд электрона, r_э — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; I_Э — ток эмиттера; I_ЭБ0 —обратный ток эмиттера.

На коллекторном переходе ЕДС дробовых шумов в основном зависит от обратного тока коллектора I_КБ0

E_шк²=2qr_к²I_КБ0П_ш,

где r_К—дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

Шумовые свойства транзисторов характеризуются коэффициентом шума К_ш. Коэффициентом шума называется отношение полной мощности шумов в выходном нагрузочном сопротивлении к той его части, которая вызвана тепловыми шумами внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума показывает, во сколько раз ухудшается отношение сигнала к шуму при прохождении сигнала через транзистор:

K_ш= , (10.3)

где Р_вх и Р_вых — входная и выходная мощности полезного сигнала; Р_шт — мощность тепловых шумов на входе, которая определяется термическими шумами сопротивления источника сигнала R_r:: P_{ш полн} — полная мощность шума на выходе. При согласованной нагрузке по входу, когда Р_r = Р_вх, мощность тепловых шумов на входе Р_шт = E²_штR_r/(R_r + R_вх)² или Р_шт= E²_шт/4R_г. Так как E²_шт=4kTR_гП_ш. Тогда

= =, (10.4)

где К_р — коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума обычно выражают в децибелах

=10K_ш (10.5)

Расчет и измерения показывают, что коэффициент шума остается практически неизменным в трех типовых схемах (с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором). Он не зависит от сопротивления нагрузки, но зависит от частоты и сопротивления источника сигнала R_r. Наименьшее значение шума биполярных транзисторов получается при R_r = 0,5 ... 2,0 кОм. Характерная зависимость коэффициента шума германиевых и кремниевых транзисторов от частоты приведена на рис. 10.2. На низких частотах наибольшую роль играют избыточные шумы, которые сильнее всего проявляются в диапазоне звуковых и инфразвуковых частот. С увеличением температуры избыточные шумы возрастают. Для снижения уровня шумов целесообразно использовать транзистор в рабочем режиме с низким напряжением коллектора и небольшими токами. Низкочастотные транзисторы с коэффициентом шума К_ш[дБ] ≤ 5 ... 6 дБ на частоте f= 1 кГц выделяют в малошумящую группу.

Рис. 10.2. Зависимость коэффициента шума от частоты

Для высокочастотных транзисторов коэффициент шума является одним из основных параметров; его значение приводится в справочниках для комнатной температуры (25° С) и определенного значения сопротивления генератора (для биполярных транзисторов обычно при R_r = 600 Ом). Так, например, транзисторы типа КТ3102Д и КТ3102Е имеют коэффициент шума на частоте 1 кГц, равный 4 дБ, при сопротивлении источника сигнала R_r= 2 кОм. Транзисторы КТ382А имеют коэффициент шума на частоте 400 МГц меньше или равный 3 дБ при R_r=750 Ом.

В области равномерного спектра шума шумы транзистора складываются из тепловых шумов сопротивления базы и дробовых шумов эмиттерного перехода. Рост уровня шумов транзистора на высоких частотах в основном определяется шумами токораспределения (падением коэффициента передачи по току h_21б, увеличением тока базы и связанными с этим рекомбинационными флуктуациями).

Шумы в полевых транзисторах включают в себя все три составляющие: тепловой, дробовой и избыточный. Тепловой шум вызывается колебаниями носителей в проводящей среде в условиях теплового равновесия и по своей природе аналогичен шуму омического сопротивления. Дробовой шум является следствием дискретности носителей заряда и хаотичности их образования. На низких частотах наиболее важной составляющей является избыточный шум, удельная мощность которого обратно пропорциональна частоте. Чаще всего избыточный шум связан с изменением электрических свойств материала, возникающего из-за определенных физико-механических явлений. Избыточный шум имеет существенное значение только на очень низких частотах. Как правило, эти шумы гораздо меньше, чем у биполярных транзисторов. Кроме того, у полевых транзисторов отсутствует составляющая шума, связанная с генерационно-рекомбинационными процессами, поэтому основной составляющей являются тепловые шумы в токопроводящем канале.

Коэффициент шума полевых транзисторов зависит от сопротивления источника сигнала R_r и частоты. Зависимости коэффициента шума от этих параметров для некоторых типов транзисторов приведены на рис. 10.3 и 10.4

Рис. 10.3. Зависимость коэффициента шума от частоты низкочастотных по­левых транзисторов

Рис .10.4. Зависимости коэффициента шума транзисторов от сопротивления генератора

Коэффициент шума полевых транзисторов зависит от режима работы. С увеличением напряжения смещения на затворе он увеличивается, что обусловлено уменьшением крутизны полевого транзистора. Оптимальным режимом для полевых транзисторов является режим малых напряжений на затворе и стоке. Коэффициент шума имеет значительную зависимость от температуры, он резко возрастает с увеличением температуры выше 300 К (27° С).