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=4 k TR_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=4 k TR_гП_ш. Тогда

= = , (10.4)

где К_р — коэффициент усиления по мощности.

Коэффициент шума обычно выражают в децибелах

=10 K_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.10.4. Зависимости коэффициента шума транзисторов от сопротивления генератора

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: 2015-10-02