Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов (1977) (1095911), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Когда вводится понятие шумовой полосы пропускания, то 9 К. = ЕоКоЯв- Мш = ~ ~'. (О ~ь (О 4' Ео = 4~Т ~ '* Т,„= Р,х (Т,~«+ Т,~«„+ ТЗ«вх) ~ „(Д = — 1/[1 + (2л~т„„)'1; т,„=- Я„С„,. Лля случая, когда Т = Т, а й„„= т,тв„.l(т, + тв„), причем тв = тт,/(т + т„), найдем коэффициент шума. Так как в этом случае дисперсия шума источника сигнала (сопротивления т,) равна 4АТ«,т„',/(т, +т„„)', а дисперсия дополнительного шума входной цепи равна 4ЙТ«в„т,'-ф, + тв,)', то Е .=- 1 — 4Н'«„Я(4ЙТ«вЧ„~) = 1 — «Дт, ° Следовательно, для уменыпения коэффициента шума следует увеличивать входное сопротивление усилителя, $8.
ДРОБОВЫЙ ШУМ Наличие дробового шума определяется тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных частиц, заряд которых равен или кратен величине е = — 1,60*10 " Кл (заряду электрона). Дробовый шум называют также шумом Шоиилки, который предсказал этот шум в 1918 г., предположив, что в противополож- 457 ность протеканию тока в проводнике, где поток электронов упо. рядочен, при протекании тока в электронной лампе электроны эмиттируются катодом случайным образом и достигают анода также случайно, ударяясь о него подобно тому, как капли дождя падают па крышу или дробинки попадают в мишень. По аналогии с шумом от попадающих в мишень дробинок Шоттки назвал рассматриваемый шум дробовым.
Сравнивая количество электронов, пролетающих через поперечное сечение лампы за время т, Шоттки нашел, что вследствие хаотичности эмиссии эти количества в разные промежутки времени различны. Для данного значения постоянной составляющей тока ~, дисперсия флуктуаций така 1„регистрируемого в процессе измерений в течение времени т, пропорциональна заряду электрона е и току ~, Этот результат, полученный Шоттки, почти не используется в его настоящем виде, за исключением случаев применения счетчиков, регистрирующих прохождение отдельных частиц. Большей частью для практических расчетов используется выражение для спектральной плотности дробового шума Л Д), полученное в 1925 г. Фри: Л(~) = 2е~,; ~У вЂ” — Лф сф= 2е~ ~ф.
Это последнее выражение известно как формула Шоттки. Оно применимо для случая, когда диод работает в режиме насыщения, т. е. когда все испускаемые катодом электроны достигают анода. Именно этот случай имеет место в фотоэмиссионных приемниках излучения, работающих при больших положительных потенциалах на аноде. При работе диода прн низких напряжениях, когда насыщение еще не достигнуто, фактическим катодом является пространственный заряд, который создает потенциальный барьер перед физическим катодом.
Этот барьер должен преодолеть каждый излучениый физическим катодом электрон, чтобы достигнуть анода. Только электроны, скорость которых достаточно велика, преодолеваю~ этот барьер. Таким образом, пространственный заряд осуществляет селекцию электронов по скоростям, что уменьшает уровень дробового шума в соответствии с коэффициентом Г', называемым коз4фищаентом депрессии. Следовательно, в этом случае Л (О = 2а~о1 Коэффициент депрессии зависит от конструкции лампы, и его ве. личина может доходить до значений 0,02 — 0,1.
Дробовый шум триода, если считать, что ток сетки отсутствует, может рассчитываться по тем же формулам, что и для диода, работающего с пространственным зарядом. Дробовый шум сеточного тока лампы рассчитывается по формуле для диода, работающего в режиме насыщения. В миогоэлектродных лампах, таких как тетроды и пентоды, имеет место еще один вид шума, называемый шумом токораспределения, который создается за счет случайного характера распределения тока между сетками. Эти дополнительные флуктуации уменьшают сглаживающее действие пространственного заряда и шум многоэлектродпых ламп в три — пять раз превышает дробовый шум триода. Таким образом, в соответствии с формулой Шоттки спектральная плотность дробового шума не зависит от частоты.
Эта формула хорошо описывает шум для частот выше нескольких килогерц и в то же время более низких, чем величина, обратная времени пролета электрона от катода к аноду. При частотах ниже нескольких килогерц появляется другой вид шума (фликкер-шдл~), спектральная плотность которого быстро изменяется с изменением частоты. Конечное время пролета электрона от катода к аноду вызывает уменьшение спектралыюй плотности дробового шума па высоких частотах. Время пролета электрона от катода к аноду зависит от геометрии лампы и напряженности электрического поля в междуэлектродпых промежутках. Оно составляет величину (1 —;10) 10 'о с (заметим, что средняя длительность интервала между вылетом электронов равна 1,6 10" с, т.
е. за время пролета электрона от катода к аноду из катода вылетает несколько миллионов электронов). Следовательно, уменьшения спектральной плотности дробового шума вследствие конечного времени пролета электроном межэлектродного промежутка можно ожидать на частотах 10" — 10" Гц.
Источники дробового шума — фотоэмиссионные приемники излучения и электронные лампы — удобно представлять в виде генератора шумового тока, дисперсия которого дается формулой Шоттки и ее аналогами. Фотоэмиссиоиный приемник обычно является источником дробового шума эмиссионного тока и теплового шума сопротивления утечки изоляции. Кроме того, нагрузкой фотоэмиссионного приемника в общем случае является комплексное сопротивление г„ Д), состоящее из активного сопротивления г„ и реактивного х„ (рис. 320, а). Лктивное сопротивление г„, так же как сопротивление утечки, является источником теплового шума. Эквивалентная шумовая схема фотоэмиссионного приемника и его нагрузки „в соответствпи с этим имеет вид, представленный на рис..320, б. В этой схеме реактивное сопротивпение 1Х включает в себя собственную емкостьфотоэмиссиопного приемника С~, а активное сопротивление К и его шумовая температура Т„, равны О, "ут тн тут+ тр Т Т ~'н, Т тут Тттв+ Тътут н1 1 т 2 т ~ут+ тн тут+ ти ~ут+ ти где Т, и Т, — температуры сопротивлений утечки и нагрузки.
Генератор Г,„, представляет собой генератор шумового тока Йт =---1 2с1р 4е а генератор Г„в — генератор э.д. с. шума де,„= 3/ 4ЙТ,„Яф. Средний квадрат шумового напряжения на зажимах шумящего двухполюсника, включающего в себя генераторы Г, и Г „ Г $ 4 ' ° ' т! с— Рис. 320. Фотоэмиссиоииый приемник иалунсиин, его схема вклк~чеиин (а) и шумован эквивалеитнан схема (6) равен сумме двух составляющих, определяемых шумовым током гйн, (дробовый шум) и э. д. с. шума де (тепловой шум) В свою очередь, «(н1р.
нн — — Ап ~ ~ Д ~' == ~~ш~' Д). Комплексное сопротивление эквивалентной шумовой схемы равно. ~" У) ==- 'У) +х'Ч); Лн д) — г д) й = ХнйЧ(Я2 + Хн) Так как шум источника сигнала должен преобладать, необходимо обеспечить выполнение условий: и' „я~и' 20$ой с > с Ио наш . Я - —. т ~т, 201е При Т = Т„найдем Я ~ 1/(20го). Коэффициент шума для рассматриваемого случая равен р 1 ( тш/~е 201ей Минимальная величина тока ~, равна темновому току 1, фото- эмиссионного приемника, который определяется, главным образом, плотностью тока термоэлектронной эмиссии (А!см') и для различных типов фотокатодов равен следующим значениям: Серебряно-кислородно-цеаиевый 10- и 10-та Сурьмяно-цеаиевмй....... 10 '4 — 10 та Мультищелояной........
10 'а — 10 та Для различной площади фотокатода темновой ток может находиться в пределах 10 ' — 10 '" А, следовательно, для получения значения Р = 2 необходимо обе- Ф спечить Я = 5 (10 =.10") Ом. к г Решить эту задачу можно, ис- пользуя газовое или электронное Ш2 Ш умножение сигнала (и шума) фото- эмиссионного приемника. В этом Рис. 321. Шумовая эквивалентная случае 1нумовая эквивалентная схема для газонаполненного фото- схема имеет вид, представленный элемента и фотоумножителя яри идеалу ~ ~ом (бесщумовом) нроцессе На РИС.
32 1, И УСЛОВИЕ СОГЛ аСОВаумиожения электронов ния выглядит следующим образом: 1 1 й > — —.. 20 МЧа где М вЂ” коэффициент умножения. Для газонаполненного фотоэлемента коэффициент умножения обычно не превышает 10, а для фотоумножителя — достигает 106 — 10в. В этом случае проблемы согласования дробовых и тепловых шумов практически не возникает. Однако любому усилению первичного тока как газовому, так и электронному, присущи дополнительные шумы, связанные с вероятностным характером возбуждения и рекомбинации молекул при газовом умножении или шумом перераспределения электронов между динодами при электронном умножении. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо производить оценку эффективности использования того или иного фотоэмиссионного приемника излучения в схеме прибора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
