А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Регулировка величины спектральной плотности шума диодного генератора осуществляется путем изменения напряжения накала диода, что позволяет управлять величиной анодного тока, а следовательно, и интенсивностью шума. Спектр дробового шума ограничивается сверху частотой, равной обратной величине времени пролета т„электронов от катода к аноду. Поэтому на чатотах ы ( 10' МГц спектр шума вакуумного диода может быть равномерным. Однако верхняя граничная частота применимости соотношения (8.26) при определении спектральной плотности шума диодного генератора ограничивается еше паразитной емкостью, включенной параллельно нагрузке, и паразитной индуктивностью выводов диода. Поэтому диодные генераторы шума обычно работают на частотах до 300-400 МГц.
Вместе с тем созданы шумовые диоды коаксиальной конструкции, способные работать на частотах до 3000 МГц. В области низких частот в анодном токе диода проявляются избыточные шумы. Общий шум диода оказывается выше величин, определяемых соотношением (8.26). Это соотношение неприменимо также к диодам, катоды которых покрыты специальными составами с целью увеличения эмиссионной способности катода (оксидные катоды). У этих диодов в области низких частот преобладающей величиной является составляющая избыточного 1//-шума, обусловленного главным образом флуктуациями эмиссионной способности различных участков катода (эффект мерцания).
Если разность потенциалов между анодом и катодом диода недостаточна для режима насыщения, около катода формируется облако пространственного заряда и интенсивность дробового шума уменьшается. Шумы вакуумных триодов и многосеточных ламп В анодном токе вакуумного триода присутствует шумовая составляющая, порождаемая дробовым эффектом. Если пространственный заряд около катода отсутствует и ток сетки триода равен нулю, то в области высоких частот дробовая составляющая шума анодного тока триода описывается тем же соотношением (8.26), что и для вакуумгюго диода в режиме насыщения. При наличии пространственного заряда дробовые флуктуации анодного тока сглаживаются. В этом случае флуктуации анодного тока описывают соотношением з' = 2е1Г~Ь/, (8.27) где безразмерный коэффициент Г' учитывает подавление дробового шума облаком пространственного заряда.
Для триодов с оксидным катодом коэффициент Г' зависит от режима работы триода и может быть найден с помощью приближенного соотношения Г вя —, 1,' где й' = 0,1! В, а крутизна Я и анодный ток 1, выражены соответственно в мА/В и мА. Глава 8. Ш ы При теоретическом анализе шумовых свойств устройств, использующих электронные лампы, удобно заменять реальную шумяшую лампу идеализированной нешумящей, к управляюшей сетке которой подключено некоторое эквивалентное шумовое сопротивление В . Его тепловой шум, усиленный нешумяшей лампой, вызывает в анодной цепи последней такие же флуктуации анодного тока, какие имеют место в анодной цепи реальной лампы. Средний квадрат шумового напряжения на активном сопротивлении В в полосе частот Ь Г определяется формулой Найквиста и~ = 4ЙТВ 2ь,Г. Если крутизна характеристики лампы Я, то, считая, что лампа не шумит, а шумовое сопротивление подключено к лампе между сеткой и катодом, для среднего квадрата флуктуаций анодного тока будем иметь Г2 = Фстр БзД1, Приравнивая выражения (8.27) и (8.29), для шумового сопротивления получим (8.29) е Г1, В 2кТ 8' Отсюда при комнатной температуре находим 201,Г у Подставляя сюда значение Г' из (8.28), получим окончательное выражение для шумо- вого сопротивления вакуумного триода: 2,5 В Я Дробовые шумы многосеточных ламп в несколько раз выше, чем шумы триодов.
Это объясняется тем, что в многосеточных лампах поток электронов с катода распределяется между положительно заряженными сетками и анодом. Доля обшего потока электронов, попадающая на каждую из этих сеток, не постоянна, а флуктуирует около некоторого среднего значения, что резко увеличивает шумы в анодной цепи.
Эквивалентное шумовое сопротивление пентода может быть определено соотноше- нием Шумы плоскостных биполярных транзисторов Если отвлечься от избыточых шумов транзистора, то можно считать, что основными механизмами флуктуаций в биполярном плоскостном транзисторе являются процессы генерации и рекомбинации носителей, а также тепловые флуктуации в объеме областей эмитгера, коЛлектора и базы.
Генерация и рекомбинация носителей приводит к Его исследование приводит к выводу, что в среднем шумы пентода на порядок превышают шумы триода. В области низких частот в спектре шумов электронных ламп наиболее сушественна составляюшая избыточных шумов со спектром вида 1/1, обусловленная главным образом эффектом мерцания. С повышением частоты спектральная плотность шума 1/1 уменьшается и на частотах 1 > 100 Гц становится меньше спектральной плотности дробового шума. 199 8.4.
Шумы злект онных п ибо ов появлению в токах эмиттера, коллектора и базы значительной составляющей дробового шума, причем флуктуации токов эмиттера, базы и коллектора оказываются сильно коррелированными, так как они связаны с общими процессами в объеме транзистора. Исследование избыточных шумов биполярных транзисторов показало, что их спектральная плотность в значительной степени зависит от качества обработки поверхности полупроводникового кристалла. Это позволяет утверждать, что в биполярном транзисторе избыточные шумы в основном обусловлены процессами, происходящими на поверхности полупроводника.
Необходимо иметь в виду, что уровень шумов транзистора зависит от режима его работы. В частности, при увеличении тока, протекающего через транзистор, растет интенсивность дробовых шумов. Увеличение же коллекторного напряжения и тока базы сопровождается ростом избыточных шумов. Одно из важнейших применений транзисторов — усиление электрических сигналов.
В связи с этим существенное значение имеет зависимость спектральной плотности собственных шумов транзистора от частоты. Поскольку спектральные плотности дробового и теплового шумов не зависят от частоты, частотная зависимость спектральной плотности общего шума транзистора обусловлена главным образом избыточным шумом 1//. В связи с этим биполярный транзистор не может обеспечить предельно высокую чувствительность при усилении низкочастотных сигналов. С повышением частоты спектральная плотность избыточных шумов транзистора понижается и на частотах порядка десятков килогерц становится пренебрежимо малой по сравнению с величиной суммарной спектральной плотности дробовых и тепловых шумов. При дальнейшем увеличении частоты уровень шумов транзистора остается приблизительно постоянным.
Отсюда, однако, не следует, что на высоких частотах чувствительность усилителя на биполярном транзисторе не зависит от частоты. Когда частота усиливаемого сигнала приближается к граничной частоте транзистора, усиление транзистора падает, в то время как спектральная плотность шумов на выходе транзистора не уменьшается. В связи с этим на частотах, близких к граничной частоте транзистора, чуствительность транзисторного усилителя ухудшается. Шумы полевых транзисторов В полевых транзисторах с р-и-переходом и с МОП структурой действуют в основном сходные механизмы флуктуаций. Различие проявляется главным образом в процессах, порождающих избыточный шум. Шумы типа 1// при комнатной температуре почти полностью отсутствуют у полевых транзисторов с р — п-переходом, но играют существенную роль, а на низких частотах доминируют в транзисторах с МОП структурой.
Это различие является серьезным подтверждением того, что избыточный 1//-шум связан скорее с поверхностными, чем с объемными эффектами. Малая величина избыточных шумов является существенным преимуществом полевых транзисторов с Р— и-переходом. Один из основных механизмов нх шума — тепловые флуктуации в канале транзистора.
Они являются причиной появления теплового шума в токе стока, и кроме того из-за наличия емкостной связи между затвором и каналом вызывают тепловой шум тока затвора. Отсюда следует, что шумы токов стока и затвора должны быть частично коррелированными. Корреляция действительно имеет место, но не оказывает существенного влияния на оптимальную величину коэффициента шума.
Другой существенной причиной флуктуаций в полевых транзисторах является генерация носителей в области пространственного заряда на границе канал — затвор. Этот процесс определяет величину основной части тока затвора. Поэтому в токе затвора есть составляющая дробового шума, превышающая на низких частотах тепловую составля'ющую. Кроме того, геиерация носителей в области пространственного'заряда р — п- Глава 8. Шумы 200 8.5.
Шумовые характеристики электронных устройств Шумовая полоса Представив электронное устройство в виде четырехполюсника, рассмотрим прохождение через этот четырехполюсник шума с постоянным энергетическим спектром С(ш) = С, (белого шума). Пусть четырехполюсник имеет коэффициент усиления по мощности К (ш) (рис. 8.2). Тогда мощность шума на его выходе определит соотноше- ние (Рш)алых = г'О Кг(ш) <(4~~. о (8.30) Интеграл 3 К„(ш) йи численно равен плошади, ограо Кг(в) ниченной частотной характеристикой четырехполюсника К„(м) и осью частот.
Пусть максимальное значение коэффициента передачи К (ш) равно К . Заменим интеграл / К„(ш) Йи плошадью равновеликого прямоо угольника с высотой К и основанием П . Тогда справедливо равенство гис. 8.2. Иллюстрация определе- ния шумовой полосы или 1 Г П = — / К„(ш)йи. (8. 31) к / О Величина П, определяемая соотношением (8.31), носит название шумовой полосы четырехполюсника. Она равна ширине полосы пропускания идеального нешумяшего четырехполюсника с П-образной частотной характеристикой, который имеет коэффи- циент передачи, равный максимальному значению К коэффициента передачи реаль- ного четырехполюсника, и при подключении к источнику белого шума обеспечивает на выходе такую же шумовую мощность, как и реальный четырехполюсник. Величина П используется для упрощения расчетов, связанных с анализом прохо- ждения шумов через электронные устройства.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
