Минаев Е.И. - Основы радиоэлектронники (1266569), страница 92
Текст из файла (страница 92)
ФЛИККЕР-ШУМ Наряду с шумом, имеющим широкий равномерный частотный спектр, в элекгронных лампах н полупроводниковых приборах наблюдается шум, спектр мощности которого пропорционален 1/1', т. е. обратно пропорционален частоте. В электронных лампах шумы такого вида вызываются испарением атомов вещества катода, т. е. постоянным его разрушением, диффузисй новых атомов из глубины катода к его поверхности и происходяшимн в связи с этим структурными изменениями излучающей поверхности катода. Такого рода шумы в электронных лампах называются шумами вследствие фликкер-з4фекта (эффекта мерцания) катода.
Источником шума типа эффекта мерпания в полупроводниковых приборах являются непрерывные вероятностные изменения внутренней структуры — локальной перестройки проводящих каналов внутри полупроводника при прохождении через него тока. В результате этого происходит хаотическая модуляция сопротивления, приводящая к флуктуациям тока. Экспериментально зависимость спектральной плотности мощности шума вида Ц (или близких к ней) наблюдается от частоты около 10-4 до 10' — 104 Гц.
19.7. КОЭФФИЦИЕНТ ШУМА Шумовые свойства усилителей и радиоприемников принято характеризовать коэффициентом шума, предполагая, что на входе и внутри усилителя шум является белым. Коэффициентом шума называют отношение мощностей сигнала и шума на входе (Р43Р„)вх, отнесенное к такому же отношению на выходе усилителя или на выходе линейной части приемника (на входе детектора). Таким образом, по определению коэффициент шума К~=(Р,)Р ),.)(Р,)Р )„,„.
(19,39) Если усилитель сам по себе не шумит, то входное и выходное отношения сигнал-шум равны и коэффициент шума К =1. При измерении коэффициента шума в децибелах в этом случае К =О. Коэффициент шума показывает, во сколько раз шумы на выходе усилителя увеличиваются за счет шумов, возникающих в самом усилителе.
Деля числитель и знаменатель в (19.39) на мощность сигнала на входе, получаем К =Р,...)К,Р ... (19,40) ГДЕ Ржвх И Р~.вь — СООТВЕТСТВЕННО МОЩНОСТИ ШУМОВ На ВХОДЕ Н выходе усилителя; Кг — коэффициент передачи мощности усилителем в предположении, что амплитудно-частотная характеристика равномерна в полосе частот, а шум является белым, Коэффициент шума показывает также, во сколько раз отношение сигнал-шум на выходе идеального нешумящего усилителя выше, чем отношение сигнал-шум на выходе реального шумящего усилителя: К (Р1Р ) (19.41) (рв/Рх) вх..в.-.в вв Шум на выходе многокаскадного усилителя можно представить в виде суммы шума, поступающего на вход усилителя вместе с сигналом, шума, добавляемого первым каскадом усилителя, и шумов, добавляемых последующими каскадами.
Шум, поступающий на вход вместе с сигналом, усиливается всеми каскадами. Мощность этой составляющей шума на выходе Р . КВАКВ, ... Кех. Здесь Р „=НТСК)ча — мощность тепловых шумов на входе любого усилителя, обязанная лишь сопротивлению генератора на его входе, для приемника этим сопротивлением является сопротивление излучения антенны; Кгч — коэффициент усиления по мощности 4'-го каскада. 470 Первый каскад реального усилителя создает на выходе шум Р (К ~ — 1) Кр1Крз ... Кр где К, — коэффициент шума первого каскада.
Второй каскад на выходе усилителя создает шум (К ш — 1)К~~Кл~ ° ° ° Кж, где К,— коэффициент шума второго каскада, и т, ди наконец, и-й каскад создает шум Суммируя все мощности шумов и деля на мощность шумов идеального усилителя, получаем коэффициент шума всего усилителя, равный К =К,+ ~— ""1+ К"' 1+ ... + К " 1 .
(19.42) КР~ КР|КР2 КР~КРи «КР(и э Выражение (19.42) показывает, что наибольший вклад в коэффициент шума усилителя или приемника вносят первый и второй каскады усиления. Включение в качестве первого каскада (до преобразователя частоты или смесителя) малошумящего усилителя с большим коэффициентом усиления позволяет значительно уменьшить общий коэффициент шума усилителя или приемника. Измерение коэффициента шума. Коэффициент шума усилителя можно измерить следующим образом. Измерим сначала шумы на выходе усилителя, ко входу которого подключен резистор, имеющий сопротивление, равное сопротивлению источника сигнала.
Резистор называется эквивалентом генератора (для приемника— эквивалентом антенны). Он находится при комнатной температуре Т= 293 К. Затем подключим ко входу усилителя последовательно с сопротивлением эквивалента генератора регулируемый шумовой генератор. Изменяя мощность колебаний на выходе шумового генератора, добьемся удвоения выходной мощности шумов. В первом случае мощность шумов на выходе Риививя КАТЬ(вфКР. Во втором случае Ршвивиз = 2Ршви ы = КыАТЦврКр+ РщвКр, Таким образом, 2К дтпл|,;=К дтй|вл+Р откуда следует, что коэффицвецт шума исследуемого усилителя К Р,(йТб),м, (19,43) где Р , — измеренное значение входной мощности шумового генератора, включенного на входе усилителя. В качестве генератора шумов часто применяют калиброванный шумовой диод, рабо- 47! тающий в режиме насыщения тока эмиссии, по значению которого определяют уровень вводимых шумов. Когда шум не является белым, различают коэффициент шума на данной частоте К (1), называемый также узкополосным коэффициентом шума, и усредненный коэффициент шума (19.44) К '.= 1К-Я'1НЯ 04~1 '|ЛЯ ~1'4.
или = )' К Я Л (О РйИ ~ Б(1) 1,„М.в (19.45) Эффективная шумовая температура. Коэффициент шума мало- шумящих усилителей и приемников бывает близок к единице. Поэтому для характеристики шумовых свойств малошумящих усилителей и приемников используют так называемую эффективную шумовую температуру, которая вводится следующим образом. Коэффициент шума приемника можно записать как отношение суммарной мощности шумов на выходе приемника, состоящей из мощности тепловых шумов эквивалента антенны и мощности шумов ЬР „ю внесенных приемником, к мощности составляющей шумов на выходе, создаваемой эквивалентом антенны: АТЬ~ вКТ+ ЬР е 1 + ЬРы.цт (19.4б) ЛТЬКМКе ЛТЬ( ЕКе где Т вЂ” температура эквивалента антенны. Появление на выходе шумов, дополнительных к усиленным шумам эквивалента антенны, можно трактовать как повышение температуры эквивалента антенны на величину эффективной температуры Т,в, т.
е. считать дополнительную мощность шумов, вносимых приемником, ьР .,=йт„д„к,. Тогда согласно (1946) коэффициент шума К =1+Т,~)т. Отсюда находим эффективную шумовую температуру приемника т =(к — 1)т. (19.47) |9.8. ШУМЪ| В ТРАНЗИСТОРАХ Шумы в биполярных транзисторах. Главным источником шума в биполярных транзисторах являются процессы генерации и рекомбинации пар электрон — дырка в базе. Шум этого вида называется генерапионно-рехомбинациолным. При этом происходят изменение плотности свободных носителей и флуктуации тока в р-п переходах. Такой шум по своей природе близок к дробовому. Другой внд шума в биполярных транзисторах — диффдэионнь~й шум, который по своей природе является тепловым. Кроме того, тепловое движение носителей приводит к возникновению шумового напряжения на распределенном сопротивлении базы гюю Основной составляющей шума в транзисторах является дробовой шум в р-и переходе, связанный с флуктуациями потока носителей, преодолевающих потенциальный барьер.
Кроме того, в полупроводниковых устройствах имеют место шумы, связанные с фликкер-эффектом (см. 9 19.6). Шумы в униполярных транзисторах. В униполярных транзисторах шум значительно меньше, так как ток транзистора создается носителямк основного типа, концентрация которых мало зависит от температуры и генерационно-рекомбииационные процессы не играют в них сколько-нибудь значительной роли.
Главными составляющими шума униполярного транзистора являются тепловые шумы, возникающие в проводящем канале, и дробовые шумы тока затвора. Коэффициент шума транзистора, Шумы транзисторов оценивают коэффициентом шума, характеризующим увеличение мощности шума на выходе по сравнению с тепловыми шумами источника сигнала. Типичная идеализированная зависимость коэффициента шума от частоты для малошумящих биполярных и униполярных транзисторов показана на рис. 19.6. При уходе из области средних частот в сторону уменьшения или увеличения частоты наблюдается рост коэффициента шума.
При уменьшении частоты рост вызван возрастанием шумов, связанных с фликкер-эффектом. При увеличении частоты рост коэффициента шума происходит из-за уменыпения коэффициента усиления сигнала. Коэффициент шума сильно зависит от сопротивления источника сигнала.
Для усилителя с биполярным транзистором коэффициент шума минимален при сопротивлении источника сигнала тт',=0,5 — 1 кОм. У полевьвх транзисторов коэффициент шума уменьшается с увеличением сопротивления источника сигнала. Обычно этот коэффициент измеряют при сопротивлении генератора )с,=1 — 10 МОм. Зависимость коэффициента шума от сопротивления источника сигнала учитывается на стадии проектирования усилителя. При низкоомном источнике сигнала коэффициент шума усилителя а лм д м' м' г„ г в пру" Рис 196.
Примерная зависимость ковффипиента шума ов частоты для униполярного ( — — — †) и биполярного ( ††) транзисторов меньше, когда в первом каскаде усилителя работает малошумящий биполярный транзистор. При высокоомном источнике сигнала коэффициент шума меньше, когда в первом каскаде работает малошумящий полевой транзистор. Шумы транзистора сильно зависят от режима его работы. Коэффициент шума маломощного биполярного транзистора минимален в схеме с ОЭ при токе коллектора 0,2 — 0,3 мА. Это значение коллекторного тока сравнимо с возможным изменением тока вследствие изменения температуры. Коэффициент шума также зависит от напряжения коллектор-эмиттер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
