4.11.4 Собственные шумы транзисторов
Шумами называют кратковременные отклонения тока коллектора относительно своего среднего значения. Шумы могут скрыть на выходе радиотехнического устройства (РТУ) слабые полезные сигналы.
Основными составляющими собственных шумов транзисторов являются следующие:
Тепловые шумы. Это шумы вызываемые тепловым хаотическим движением зарядов, в результате которого на объемных (распределительных) сопротивлениях областей транзистора создаются падения напряжения. Эти шумы аналогичны тепловым шумам резисторов и могут быть определенны по формуле Найквиста. Основным источником тепловых шумов в транзисторе являются, прежде всего, объемное сопротивление области базы . Тогда
,
(4.51)
где
- полоса частот, в
которой определяется шумовое напряжение.
Для отображения
этой шумовой составляющей цепь базы
транзистора можно представить в виде
эквивалентной схемы с источником
напряжения
,
(Рис.4.44 а) или источником тока
(Рис.4,44 б). Величина шумового тока равна
.
(4.52)
Здесь
- средний квадрат шумового тока. Величина
напряжения теплового шума не зависит
от частоты и определяется лишь шириной
полосы частот. Этот вид шумов характеризуется
так называемым гладким или белым шумовым
спектром, то есть спектром, в котором
все гармонические составляющие шума
имеют одинаковую амплитуду.
Дробовые шумы. Это шумы, вызываемые неравномерностью (флуктуацией) процесса инжекций носителей из эмиттера в базу и попадания их в коллектор. Среднеквадратичное значение напряжения дробовых шумов эмиттера и коллектора выражаются формулой Шоттки
,
,
(4.53)
где
,
- постоянные составляющие тока эмиттера
и тока коллектора.
Дробовые шумы как и тепловые, имеют гладкий (равномерный) спектр.
Шумы
токораспределения.
Это шумы, вызываемые неравномерностью
распределения тока эмиттера между
управляемым током коллектора
,
и рекомбинационным током базы
.
Возникающий при этом шумовой ток можно
определить с помощью выражения
.
(4.54)
Избыточные шумы или шумы мерцания. Эти шумы обусловленные поверхностными явлениями и, главным образом, неравномерностью процесса рекомбинации носителей на поверхности кристалла полупроводника. Интенсивность избыточных шумов возрастает с уменьшением частоты. Квадрат среднего значения шумового избыточного тока определяется выражением
,
(4.55)
где А- постоянный коэффициент, зависящий от свойства полупроводника.
Шумовые свойства
транзисторов можно оценивать различными
методами, например, с помощью эквивалентного
генератора шумов, эквивалентного
шумового сопротивления и т.д. Однако,
наиболее распространенным методом
оценки шумовых свойств транзисторов
является метод оценки с помощью
коэффициента шума
,
который определяется как отношение
полной мощности шумов на выходе
транзистора к той ее части, которая
вызвана усилением шумов генератора
входного сигнала
,
(4.56)
где
- мощность шумов источника входного
сигнала;
- мощность шумов
на выходе транзистора;
- мощность шумов
транзистора;
- коэффициент
усиления транзистора по мощности.
Коэффициент шума принято выражать в децибелах.
При этом
.
(4.57)
Анализ показывает, что коэффициент шума зависит от внутреннего сопротивления источника входного сигнала, режима работы, параметров транзистора и, наконец, от частоты.
Коэффициент шума
имеет минимальную величину при некотором
оптимальном значении внутреннего
сопротивления источника входного
сигнала
.
Чем меньше у транзистора , тем больше шумы. Это объясняется тем, что уменьшение сопровождается возрастанием тока базы, а тогда на распределенном сопротивлении области базы будет создаваться большое напряжение шумов.
Понижение напряжения
и тока эмиттера ослабляет шумы, но до
определенного предела, т.к. при слишком
малых
и
уменьшается
и за счет этого шумы могут возрастать.
Кремниевые транзисторы шумят сильнее, чем германиевые.
а) б)
Рис.4.44
Зависимость коэффициента шума от частоты представлена на Рис.4.45. В области средних частот величина коэффициента шума постоянна и минимальна, так как здесь определяющими являются тепловые и дробовые шумы, имеющие гладкий частотный спектр (белый шум). В области низких частот коэффициент шума возрастает за счет избыточных шумов, а в области высоких частот вследствие уменьшения коэффициента передачи тока .
Наименьшими шумами обладают транзисторы, имеющие большой коэффициент и малые величины и .
Исследования показывают, что коэффициент шума практически не зависит от схем включения транзисторов.
Рис.4.45
По сравнению с электронными лампами хорошие транзисторы шумят в области средних частот меньше, а на более низких и высоких частотах – больше. Однако, выпускаются специальные малошумящие транзисторы, у которых даже на высоких частотах шумы значительно меньше, чем у электронных ламп.