И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Именно они и могут быть использованы в качестве промежуточной частоты. Так как обычно характеристика транзистора не просто квадратичная, а более сложная, то зависимость крутизны от напряжения нелинейна. Это вызывает появление дополнительных составляющих с более сложными комбинационными частотами. В уравнении (6.39) амплитуды токов разности ой и суммарной частоты получились одинаковыми: (н, „р — — — 5„(/~,. (6.40) 1 2 Отношение 1, „р/(),„, носит название кр)япизны преобразования 5„р и характеризует эффективность каскада преобразования частоты.
Из выражения (6.40) следует, что 5„р — — 0,55,„, т. е. 5,р 1 не превышает половины амплитуды изменения крутизны в рабочей точке. Чем больше амплитуда напряжения гетеро- дина (/ „ тем больше изменение крутизны, тем больше 5, а следовательно, н 5»к Напряжение промежуточной частоты на выходе каскада (/~„р — — ! „. „»К„, (6.41) где ʄ— сопротивление нагрузки, т. е. сопротивление выходного контура, настроенного на промежуточную частоту. Иначе: (/ „„= — 5„Я„(/,„, = 5, Й„(/ы,. (6.42) 1 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 флюкепуациями.
Онн объясняются тепловым движением электронов. С повышением температуры флюктуации усиливаются. Токи всех электродов транзистора подвержены флюктуацням. После усиления эти флюктуации 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 /в имеет шумовую Рис. 6.14.
Флюктуааяи тока Отсюда следует„что коэффициент усиления транзисторного частотопреобразовательного каскада й = (/,р/(1~, = 5„»Я,. (6.43) Таким образом, усиление пропорционально крутизне преобразования. 6.6. СОБСТВЕННЫЕ ШУМЫ ТРАНЗИСТОРОВ И ДИОДОВ При большом коэффициенте усиления в телефоне или громкоговорителе„ включенном на выходе усилителя или переменную составляющую / . 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.
Флюктуации тока показаны на рис. 6.14, причем для наглядности преувеличенно, так как обычно шумовой ток очень мал по сравнению с током 1,. Теоретически и экспериментально доказано, что шумовой ток представляет собой сумму переменных синусоидальных составляющих с самыми различными частотами от нуля до сверх- !05 высоких. 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„р, 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 нли даже практически невозможен. В любом резисторе за счет происходящих в нем электрических флюктуаций создается некоторая шумовая ЭДС. Действующее значение шумовой ЭДС Е, возникающей в резисторе или в любой цепи с сопротивлением Я, определяется формулой Найквиста Ещ = 1 4НЯП„р, (6.44) где )р — постоянная Больцмана, равная приблизительно 1,38 !О ~э Дж/К; Т- абсолютная температура. Эта формула в практических расчетах для комнатной температуры принимает вид Е - — ~)/ЯП „р, (6.45) где Š— в микровольтах, Я вЂ” в кило- омах н П„р — в кнлогерцах. Например, прн Я = 40 кОм и П„р —— 1 .,—— =10 кГц получаем Е - — )г40 10= 8 =20:8=2,5 мкВ. Полный шум, возникающий в транзисторе, имеет несколько составляющих.
Тепловые шумы обусловлены тепловыми флюктуациями 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 106 гы тем более что оно включено во входную цепь и шум от него усиливается самим транзистором. Дробовые шумы происходят от флюктуаций инжекцнн и экстракцин в эмиттерном и коллекторном переходе. Шумы такараснределения вызваны флюктуациями распределения эмиттерного тока между базой и коллектором.
Рекамбинацианные шумы имеют своей причиной флюктуации рекомбинации. . Кроме того, дополнительные шумы создаются за счет флюктуаций 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 Г .
Он определяется, так же как и для любых четырехполюсников, следующим образом. Влияние шумов всегда характеризуется отношением мощности полезного сигнала Р, к мощности шумов Р . На выходе это отношение меньше, чем на входе, так как на выходе обе мощности усилены в /р раз, но к мощности шумов транзистор добавляет еще собственный шум Р . Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала к мощности шума на входе больше, чем на выходе: с, в» / щ.в» (6 46) Р».
»щ»/1 щ в»щ Принято измерять величину Г в децибелах согласно формуле Г = 10 18Г, (6.47) из которой следует, что при значениях Г , равных 10, !00 и 1000, значение Г соответственно равно 1О, 20 и 30 дБ. Современные транзисторы имеют Г 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 (истоуника сигнала) й„„.
Чем меньше у транзйстора а, тем больше шумы. Это объясняется тем, что уменьшение а сопровождается возрастанием тока базы, и он будет создавать на сопротивлении ге большее шумовое напряжение, которое усиливается транзистором. Кроме того, чем меньше а„тем интенсивнее рекомбинация в базе, а она также является причиной шумов. С увеличением сопротивления ге и тока 1„« шумы возрастают. Материал полупроводников также влияет на уровень шумов. Например, кремниевые транзисторы «шумят» сильнее германиевых. Понижение напряжения коллектор- ного перехода и„ж и тоха эмиттера ослабляет шумы, но до известного предела, так как при слишком малых н„е и (, уменьшается а и за счет этого шумы могут возрасти.
Чтобы шумы были минимальными, сопротивление Ик„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. Из рис. 6.15 видно, что в диапазоне средних частот Е имеет Рнс. б.!5. Зависимость коэффициента шума транзистора от частоты минимальное и примерно постоянное значение. Нижняя частота Л этого лиапазона составляет единицы килогерц. На частотах ниже У, увеличиваются мерцательные шумы и за счет этого Г возрастает.
Увеличение Г на частотах вышегз пРоисхоДит вследствие снижениЯ а. Частота 7", может составлять сотни килогерц и больше. Она тем выше чем выше Г, и приблизительно в ф раз меньше ее. С учетом указанных выше зависимостей изготовляют специальные мало- шумящие транзисторы, предназначенные для первых каскадов усилителей и радиоприемников. Чтобы шумы были минимальнымн, такие транзисторы используют при пониженных и„.е и й и температура у них должна быть низкой. Эти транзисторы имеют высокие значения а и 7 но малые ге и 1«ь 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 флюктуациями процесса инжекции в п — р-переходе, и тепловые шумы, определяемые главным образом сопротивлением базы, которое обычно значительно больше сопротивления эмиттера. В диодах н — 1 — р область 1 также вносит тепловой шум.
Как и в транзисторах, в диодах создается шум от флюктуаций процесса рекомбинации и мерцательный шум. Для оценки шумовых свойств диодов часто используют специальный параметр — шумское 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. Иногда вместо шумового отношения для диодов указывают эквн- 107 валентное 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
