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 Ешт. Тепловые шумы имеют равномерный частотный спектр (белый шум) и оцениваются среднеквадратичной ЭДС шума:
Eшт2=4kTRшПш (10.1а)
где k=1,37-10-23 Дж/К—постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура; Rш— эквивалентное «шумовое» сопротивление; Пш — 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
Eшт2=4kTrбПш (10.16)
где rб — 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:
Eшэ2=2qrэ2(IЭ+IЭБ0)Пш, (10.2)
где q— заряд электрона, rэ — дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода; IЭ — ток эмиттера; IЭБ0 —обратный ток эмиттера.
На коллекторном переходе ЕДС дробовых шумов в основном зависит от обратного тока коллектора IКБ0
Eшк2=2qrк2IКБ0Пш,
где rК—дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.
Шумовые свойства транзисторов характеризуются коэффициентом шума Кш. 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:
Kш= 
, (10.3)
где Рвх и Рвых — входная и выходная мощности полезного сигнала; Ршт — мощность тепловых шумов на входе, которая определяется термическими шумами сопротивления источника сигнала Rr:: Pш полн — полная мощность шума на выходе. При согласованной нагрузке по входу, когда Рr = Рвх, мощность тепловых шумов на входе Ршт = E2штRr/(Rr + Rвх)2 или Ршт= E2шт/4Rг. Так как E2шт=4kTRгПш. Тогда
= 
= 
, (10.4)
где Кр — коэффициент усиления по мощности.
Коэффициент шума обычно выражают в децибелах
=10 
Kш (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 Rr. Наименьшее значение шума биполярных транзисторов получается при Rr = 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 Кш[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 Rr = 600 Ом). Так, например, транзисторы типа КТ3102Д и КТ3102Е имеют коэффициент шума на частоте 1 кГц, равный 4 дБ, при сопротивлении источника сигнала Rr= 2 кОм. Транзисторы КТ382А имеют коэффициент шума на частоте 400 МГц меньше или равный 3 дБ при Rr=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 h21б, 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 Rr 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
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).
Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 8974;