загрузка...
загрузка...
На головну

Лекція 8. ШУМИ ТРАНЗИСТОРОВ

У транзисторах, як і в будь-якому іншому електронному приладі, генеруються внутрішні електричні шуми, які, на відміну від різного роду перешкод і наведень, в принципі не можуть бути усунені повністю. Шуми виникають внаслідок дискретної природи електрики і теплового руху електронів. Вони відрізняються хаотичністю, тобто відсутністю регулярності в часі. Однак середня потужність і спектральна щільність (середня щільність розподілу потужності по спектру частот) зазвичай є цілком визначеними величинами.

Основні типи шумів в біполярних транзисторах - це теплові, дробові, типу 1 /f і шуми токораспределения.

1. Тепловий шум (шум Джонсона) обумовлений хаотичним рухом носіїв заряду в об'ємі напівпровідника і проявляється як флуктуації напруги на розімкнутих затискачах резистора. Ефективне значення ЕРС шуму описується формулою Найквіста , де K - Постійна Больцмана, Т - Абсолютна температура, R - Опір, - Смуга частот, в якій розглядається шум. Очевидно, що потужність теплового шуму .

На еквівалентних схемах джерело шуму зображується у вигляді ідеального резистора (нешумящего) і генератора ЕРС шуму. Про величину середньоквадратичного значення ЕРС теплового шуму в смузі частот в 1 Гц можна судити за графіком рис. 8.1.

Спектральна щільність (потужність на одиницю частот) не залежить від частоти аж до інфрачервоних довжин хвиль. Тому тепловий шум відносять до шумів білого спектра.

2. Дробовий шум обумовлений дискретної природою електрики і проявляється як флуктуації струмів через електронно-діркові переходи. Описується формулою Шотткі: , де q - Заряд електрона, I - Постійний струм через перехід, - Смуга частот, в якій розглядається шум. На схемах зображується у вигляді генератора струму . Про величину струму дробового шуму в смузі частот 1 Гц можна судити за графіком рис. 8.2. Дробовий шум не залежить від частоти і відноситься до шумів білого спектра (білий шум).

3. Надлишкові шуми або шуми типу 1 /f. Назва пов'язана з щільністю потужності шуму, яка залежить від частоти за законом 1 /f. Інша назва - флікер-шум. Виявляється в діапазоні звукових частот, особливо в нижній його частині. Вважається, що в біполярному транзисторі існує дві області, які є джерелами надлишкових шумів. По-перше, це область просторового заряду емітерного переходу. На поверхні (у поверхні) існують рівні пасток, які можуть на деякий час захоплювати носії заряду. Експериментально доведено, що потужність мерехтіння шуму емітерного переходу пропорційна щільності станів емітерного переходу і зростає зі збільшенням струму через перехід. Кількісно шум оцінюється середньоквадратичним значенням струму. Наприклад, для електронів , де А - Коефіцієнт, що залежить від струму емітера, - Смуга розглянутих частот. є характеристикою окремого транзистора (НЕ типу, а примірники) і тому конкретною формою описаний бути не може.

Іншим джерелом шуму є область просторового заряду колекторного переходу - спонтанні флуктуації поверхневої провідності, обумовленої струмами витоку. Ці флуктуації сильно залежать від стану поверхні колекторного переходь і ростуть зі збільшенням напруги на переході: . тут залежить від .

Еквівалентна схема транзистора в області шумів білого спектра, запропонована Джаколетто, показана на рис. 8.3. У схемі - Теплової шум бази транзистора, - Теплової шум джерела сигналу, и - Дробові шуми емітерного і колекторного переходів відповідно.

Шумові властивості транзистора в цілому характеризуються коефіцієнтом шуму. Коефіцієнт шуму визначають як відношення повної потужності шумів на виході підсилювача до потужності теплового шуму генератора сигналу:

 або .

В останній формулі - Середньоквадратичне повне шумова напруга на виході транзистора.

Характерна залежність коефіцієнта шуму від частоти для транзисторів показана на рис. 8.4. Реальна крива не має різких зламів, а нахили ділянок верхніх і нижніх частот можуть бути іншими. и - Граничні частоти білого шуму. В області білого шуму коефіцієнт шуму через параметри транзистора виражається наступним чином:

.

область від до частоти, на якій повністю переважає шум типу 1 /f, Велика. Наприклад, для транзистора КТ312 = 5000 Гц, а частота, на якій все шуми в десять разів менше мерехтіння шуму, дорівнює 50 Гц. В області високих частот зменшується коефіцієнт передачі по току транзистора - зменшується струм колектора і збільшується струм бази. Струм бази - це рекомбінаційний струм. А так як рекомбінація - процес випадковий, то з'являються флуктуації струму і, таким чином, шум. Цей шум носить назву високочастотного або шуму токораспределения. Частота, на якій подвоюється (збільшується на 3 дБ у порівнянні з величиною ), Називається частотою подвоєння: . З формули випливає, що з ростом статичного коефіцієнта передачі струму бази область білого шуму звужується.

Коефіцієнт шуму не залежить від навантаження, залежить від опору генератора, від температури і струму емітера (через ), Від напруги на колекторі (шуми витоку). Зі зменшенням струму і напруги зменшується. величину , При якій коефіцієнт шуму мінімальний, можна визначити за формулою:

.

мінімум некритичний до відхилення від : При зміні опору генератора в 2 - 3 рази змінюється на 20-30%. Типове значення дорівнює 0,3 - 1 кОм.

Транзистори, які мають , Вважаються малошумящими. У довідковій літературі за такими транзисторів наводиться максимально допустиме значення коефіцієнта шуму. Визначити придатність транзистора для роботи в малошумні підсилювачі в області високих частот можна наступним чином. На обраної високій частоті f розраховують . обчислюють при . Порівнюють його з заданим за технічним завданням, і якщо він менше, то необхідно ще обчислити частоту подвоєння при . якщо, То такий транзистор можна ставити в схему. В області низьких частот підбір транзистора бажано здійснювати таким чином, щоб нижня гранична частота білого шуму була менше нижньої граничної частоти амплітудно-частотної характеристики підсилювача.

Кілька практичних зауважень.

Все підсилювальні елементи електронних пристроїв вносять вклад в загальний шум, але основне значення зазвичай має шум першого каскаду, так як він посилюється усіма подальшими каскадами. Тому власні шуми багатокаскадних підсилювачів можна вважати рівними сумі теплових шумів вхідного ланцюга і шумів першого підсилювального каскаду. Звідси і метод боротьби - підбір малошумлячих транзисторів в першому каскаді.

Ще меншими шумами в порівнянні з біполярними транзисторами мають польові транзистори з керуючим переходом. Вони мають тільки тепловий шум каналу. Однак це справедливо лише при великих опорах джерела сигналу. Це стосується і лампових підсилювачів. Біполярні краще працюють з низькоомними генераторами.

Якщо врахувати, що шуми залежать від струму емітера (колектора) і напруги на колекторі, то другий шлях боротьби з шумами - зменшення і мікрорежім по току. При роботі на мікрострумами практично всі біполярні транзистори стають малошумящими.

Так як коефіцієнт шуму залежить від температури, то слід уникати нагрівання малошумлячих каскадів, не розташовувати їх поряд з потужними каскадами.

Велике значення зворотного струму колектора говорить про великий щільності поверхневих станів переходу, які випадковим чином можуть захоплювати носії заряду, що летять через p-n-перехід, випадковим чином віддавати їх і, таким чином, давати флуктуації струму через перехід, тобто шум. Як правило, транзистори з малим мають і малі значення .

Всі схеми включення транзистора - ПРО, ОЕ, ОК, мають практично однакові шумові властивості.

Так як коефіцієнт шуму залежить від струму, то оптимальний струм щодо шумів, як правило, не збігається з оптимальним струмом по режиму транзистора. Вспомнімте, як різко зменшується при токах менше 1 мА. Тому при конструюванні малошумлячих каскадів перевага віддається забезпеченню малого коефіцієнта шуму.

З іншого боку, схема, оптимальна по з точки зору шумів, не є оптимальною з точки зору узгодження опорів джерела сигналу і підсилювача. У цьому випадку основним завданням залишається забезпечення мінімального рівня шумів. Всі інші характеристики можна надолужити за допомогою наступних каскадів.

Про боротьбу з шумами не тільки транзисторів, але і в електроніці взагалі, можна знайти в книзі - Отт Г. Методи придушення шумів і перешкод в електронних системах. / Пер. з англ. М .: Світ, 1979.

чотириполюсник «-- попередня | наступна --» Тема 1: Предмет економічної теорії, її філософські та методологічні основи.
загрузка...
© om.net.ua