Собственные шумы транзисторов и диодов

При большом коэффициенте усиления в телефоне или громкоговорителе, включенном на выходе усилителя или приемника, слышен характерный шум в виде шороха (шипения) даже в том случае, если на вход никакие сигналы не подаются (например, если замкнуть накоротко входные зажимы, чтобы приема внешних сигналов не было). Чем больше коэффициент усиления, тем сильнее собственный шум приемника.

Исследование этого явления показало, что токи и напряжения в любых электрических цепях всегда совершают небольшие беспорядочные (хаотичные) колебания, называемые электрическими флуктуациями. Они объясняются тепловым движением электронов. С повышением температуры флуктуации усиливаются.

Токи всех электродов транзистора подвержены флуктуациям. После усиления эти флуктуации при слуховом приеме сигналов проявляются в виде шума. Название «собственные шумы» применяют и тогда, когда сигналы не преобразуются в звуковые колебания.

Любой постоянный ток не является строго постоянным, а помимо постоянной составляющей I₀,имеет шумовую переменную составляющую I_ш. Это объясняется тем, что вследствие теплового движения число электронов, проходящих через поперечное сечение проводника в малые равные промежутки времени, даже при постоянном токе не постоянно, а меняется. Обычно шумовой ток очень мал по сравнению с током I₀.Теоретически и экспериментально доказано, что шумовой ток представляет собой сумму переменных синусоидальных составляющих с самыми различными частотами от нуля до сверхвысоких. Но любой усилитель (или другое устройство) пропускает колебания только в определенном диапазоне частот. Поэтому на выходе усилителя воспринимается лишь часть этих составляющих шума, которая тем больше, чем шире полоса частот колебаний П_пр, пропускаемых усилителем.

Собственные шумы транзисторов ограничивают чувствительность радиоприемников и других устройств, служащих для обнаружения, усиления и изме­рения слабых сигналов. Если полезные сигналы слабее собственных шумов, то прием этих сигналов весьма затрудня­ется или даже практически невозможен.

В любом резисторе за счет происходящих в нем электрических флуктуаций создается некоторая шумовая ЭДС. Действующее значение шумовой ЭДС Е_ш,возникающей в резисторе или в любой цепи с сопротивлением R,определяется формулой Найквиста

Е_ш = , (99)

где k – постоянная Больцмана, равная приблизительно 1,38 × 10 ^{– 23} Дж/К; T – абсолютная температура.

Эта формула в практических расчетах для комнатной температуры принимает вид

Е_ш » 1/8 , (100)

где Е_ш– в микровольтах, R –в килоомах и П_пр–в килогерцах.

Полный шум, возникающий в транзисторе, имеет несколько составляющих.

Тепловые шумы обусловлены тепловыми флуктуациями электронов, характерными для любого резистора. Поскольку все области транзистора обладают некоторым сопротивлением, то в них возникают шумовые напряжения. Так как сопротивления эмиттерной и коллекторной области сравнительно малы, то главную роль в создании тепловых шумов играет сопротивление базы r_б,тем более что оно включено во входную цепь и шум от него усиливается самим транзистором.

Дробовые шумы происходят от флуктуации инжекции и экстракции в эмиттерном и коллекторном переходе.

Шумы токораспределения вызваны флуктуациями распределения эмиттерного тока между базой и коллектором.

Рекомбииационные шумы имеют своей причиной флуктуации рекомбинации.

Кроме того, дополнительные шумы создаются за счет флуктуации токов утечки в поверхностных слоях полупроводников и некоторых других явлений. Эти шумы часто называют мерцательными,или избыточными (фликкер-эффект).

Мощности или напряжения шумов тем больше, чем шире полоса частот, в пределах которой проявляется действие шумов.

Для оценки шумовых свойств транзисторов служит коэффициент шума F_ш.Он определяется, так же, как и для любых четырехполюсников, следующим образом.

Влияние шумов всегда характеризуется отношением мощности полезного сигнала Р_ск мощности шумов Р_ш.На выходе это отношение меньше, чем на входе, так как на выходе обе мощ­ности усилены в k_p раз, но к мощности шумов транзистор добавляет еще соб­ственный шум Р_ш.тр. Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала к мощности шума на входе больше, чем на выходе:

F_ш = (P_с.вх / P_ш.вх) / (P_с.вых / P_ш.вых). (101)

Принято измерять величину F_шв децибелах согласно формуле

F_ш = 10 lg F_ш (102)

из которой следует, что при значениях F_ш,равных 10, 100 и 1000, значение F соответственно равно 10, 20 и 30 дБ.

Современные транзисторы имеют F примерно от 3 до 30 дБ (в среднем 10 – 20 дБ). Значение коэффициента шума транзисторов указывается обычно для частоты 1 кГц и температуры 20 °С.

Шумы транзистора зависят от его параметров и режима работы, а также от внутреннего сопротивления источника усиливаемых колебаний (источника сигнала) R_и.к. Чем меньше у транзистора , тем больше шумы. Это объясняется тем, что уменьшение сопровождается возрастанием тока базы, и он будет создавать на сопротивлении r_б большее шумовое напряжение, которое усиливается транзистором. Кроме того, чем меньше , тем интенсивнее рекомбинация в базе, а она также является причиной шумов.

С увеличением сопротивления r_б и тока i_к0 шумы возрастают. Материал полупроводников также влияет на уровень шумов. Например, кремниевые транзисторы «шумят» сильнее германиевых. Понижение напряжения коллекторного перехода u_к-б и тока эмиттера i_э ослабляет шумы, но до известного предела, так как при слишком малых u_к-б и i_э уменьшается и за счет этого шумы могут возрасти. Чтобы шумы были минимальными, сопротивление R_и.к должно иметь некоторое оптимальное значение, обычно несколько сотен ом. Повышение температуры резко увеличивает собственные шумы транзисторов. Теория и опыт показывают, что при прочих равных условиях шумы транзистора для всех трех основных схем ОЭ, ОБ и ОК примерно одинаковы.

По частоте шумы распределены неравномерно. В диапазоне средних частот F имеет минимальное и примерно постоянное значение. Нижняя частота f₁ этого диапазона составляет единицы килогерц. На частотах ниже f₁ увеличиваются мерцательные шумы и за счет этого F возрастает. Увеличение F на частотах выше f₂ происходит вследствие снижения . Частота f₂ может составлять сотни килогерц и больше. Она тем выше, чем выше f_a и приблизительно в раз меньше ее.

С учетом указанных выше зависимостей изготавливают специальные малошумящие транзисторы, предназначенные для первых каскадов усилителей и радиоприемников. Чтобы шумы были минимальными, такие транзисторы используют при пониженных u_к-б и i_эи температура у них должна быть низкой. Эти транзисторы имеют высокие значения и f_a, но малые r_б и i_к0.

По сравнению с электронными лампами хорошие транзисторы «шумят» в области средних частот слабее, а на более низких и высоких частотах – сильнее.

Собственные шумы создаются и в полупроводниковых диодах, что приходится учитывать при использовании диодов в первых каскадах приемников СВЧ. Причины собственных шумов диодов такие же, как и у транзисторов. Это прежде всего дробовые шумы, связанные с флуктуациями процесса инжекции в п – р-переходе, и тепловые шумы, определяемые главным образом сопротивлением базы, которое обычно значительно больше сопротивления эмиттера. В диодах n – i – p область i также вносит тепловой шум. В диодах так же создается шум от флуктуации процесса рекомбинации и мерцательный шум.

Для оценки шумовых свойств диодов часто используют специальный параметр – шумовое отношение. Оно показывает, во сколько раз мощность шумов диода больше мощности шумов резистора, имеющего сопротивление, равное дифференциальному (выходному) сопротивлению диода. У большинства диодов СВЧ шумовое отношение бывает от 2 до 20. Реже вместо шумового отношения для диодов указывают эквивалентное шумовое сопротивление или коэффициент шума в децибелах.

В качестве генератора определенного шумового напряжения используют специальные шумовые диоды, работающие при обратном напряжении в режиме начала электрического пробоя. Такой режим неустойчив и характеризуется тем, что пробой то возникает, то прекращается и, соответственно, ток беспорядочно изменяется. Шумовые диоды, выпускаемые нашей промышленностью, делаются из кремния. Они работают при токах от 10 мкА до 1 мА и обратном напряжении от 6 до 10 В. Напряжение шумов имеет весьма широкий спектр частот – от единиц герц до нескольких мегагерц.