Лекция 8. Шумы транзисторов

В транзисторах, как и в любом другом электронном приборе, генерируются внутренние электрические шумы, которые, в отличие от различного рода помех и наводок, в принципе не могут быть устранены полностью. Шумы возникают вследствие дискретной природы электричества и теплового движения электронов. Они отличаются хаотичностью, то есть отсутствием регулярности во времени. Однако средняя мощность и спектральная плотность (средняя плотность распределения мощности по спектру частот) обычно являются вполне определенными величинами.

Основные типы шумов в биполярных транзисторах – это тепловые, дробовые, типа 1/ f и шумы токораспределения.

1. Тепловой шум (шум Джонсона) обусловлен хаотическим движением носителей заряда в объеме полупроводника и проявляется как флуктуации напряжения на разомкнутых зажимах резистора. Среднеквадратичная эдс шума описывается формулой Найквиста , где K – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, R – сопротивление, – полоса частот, в которой рассматривается шум. Очевидно, что мощность теплового шума .

На эквивалентных схемах источник шума изображается в виде идеального резистора (нешумящего) и генератора эдс шума. О величине среднеквадратичного значения эдс теплового шума в полосе частот в 1 Гц можно судить по графику рис. 8.1.

Спектральная плотность (мощность на единицу частот) не зависит от частоты вплоть до инфракрасных длин волн. Поэтому тепловой шум относят к шумам белого спектра.

2. Дробовой шум обусловлен дискретной природой электричества и проявляется как флуктуации токов через электронно-дырочные переходы. Описывается формулой Шоттки: , где q – заряд электрона, I – постоянный ток через переход, – полоса частот, в которой рассматривается шум. На схемах изображается в виде генератора тока . О величине тока дробового шума в полосе частот 1 Гц можно судить по графику рис. 8.2. Дробовой шум не зависит от частоты и относится к шумам белого спектра (белый шум).

3. Избыточные шумы или шумы типа 1/ f. Название связано с плотностью мощности шума, которая зависит от частоты по закону 1/ f. Другое название – фликкер-шум. Проявляется в диапазоне звуковых частот, особенно в нижней его части. Считается, что в биполярном транзисторе существует две области, являющиеся источниками избыточных шумов. Во-первых, это область пространственного заряда эмиттерного перехода. На поверхности (у поверхности) существуют уровни ловушек, которые могут на некоторое время захватывать носители заряда. Экспериментально доказано, что мощность фликкер-шума эмиттерного перехода пропорциональна плотности состояний эмиттерного перехода и растет с увеличением тока через переход. Количественно шум оценивается среднеквадратичным значением тока. Например, для электронов , где А – коэффициент, зависящий от тока эмиттера, – полоса рассматриваемых частот. является характеристикой отдельного транзистора (не типа, а экземпляра) и поэтому конкретной формой описан быть не может.

Другим источником шума является область пространственного заряда коллекторного перехода – спонтанные флуктуации поверхностной проводимости, обусловленной токами утечки. Эти флуктуации сильно зависят от состояния поверхности коллекторного переходи и растут с увеличением напряжения на переходе: . Здесь зависит от .

Эквивалентная схема транзистора в области шумов белого спектра, предложенная Джаколетто, показана на рис. 8.3. В схеме – тепловой шум базы транзистора, – тепловой шум источника сигнала, и – дробовые шумы эмиттерного и коллекторного переходов соответственно.

Шумовые свойства транзистора в целом характеризуются коэффициентом шума. Коэффициент шума определяют как отношение полной мощности шумов на выходе усилителя к мощности теплового шума генератора сигнала:

или .

В последней формуле – среднеквадратичное полное шумовое напряжение на выходе транзистора.

Характерная зависимость коэффициента шума от частоты для транзисторов показана на рис. 8.4. Реальная кривая не имеет резких изломов, а наклоны участков верхних и нижних частот могут быть другими. и – граничные частоты белого шума. В области белого шума коэффициент шума через параметры транзистора выражается следующим образом:

.

Область от до частоты, на которой полностью преобладает шум типа 1/ f, большая. Например, для транзистора КТ312 =5000 Гц, а частота, на которой все шумы в десять раз меньше фликкер-шума, равна 50 Гц. В области высоких частот уменьшается коэффициент передачи по току транзистора – уменьшается ток коллектора и увеличивается ток базы. Ток базы – это рекомбинационный ток. А так как рекомбинация – процесс случайный, то появляются флуктуации тока и, таким образом, шум. Этот шум носит название высокочастотного или шума токораспределения. Частота, на которой удваивается (увеличивается на 3 дБ по сравнению с величиной ), называется частотой удвоения: . Из формулы следует, что с ростом статического коэффициента передачи тока базы область белого шума сужается.

Коэффициент шума не зависит от нагрузки, зависит от сопротивления генератора, от температуры и тока эмиттера (через ), от напряжения на коллекторе (шумы утечки). С уменьшением тока и напряжения уменьшается. Величину , при которой коэффициент шума минимален, можно определить по формуле:

.

Минимум некритичен к отклонению от : при изменении сопротивления генератора в 2 – 3 раза меняется на 20-30 %. Типовое значение равно 0,3 – 1 кОм.

Транзисторы, имеющие , считаются малошумящими. В справочной литературе по таким транзисторам приводится максимально допустимое значение коэффициента шума. Определить пригодность транзистора для работы в малошумящем усилителе в области высоких частот можно следующим образом. На выбранной высокой частоте f рассчитывают . Вычисляют при . Сравнивают его с заданным по техническому заданию, и если он меньше, то необходимо еще вычислить частоту удвоения при . Если , то такой транзистор можно ставить в схему. В области низких частот подбор транзистора желательно осуществлять таким образом, чтобы нижняя граничная частота белого шума была меньше нижней граничной частоты амплитудно-частотной характеристики усилителя.

Несколько практических замечаний.

Все усилительные элементы электронных устройств вносят вклад в общий шум, но основное значение обычно имеет шум первого каскада, так как он усиливается всеми последующими каскадами. Поэтому собственные шумы многокаскадных усилителей можно считать равными сумме тепловых шумов входной цепи и шумов первого усилительного каскада. Отсюда и метод борьбы – подбор малошумящих транзисторов в первом каскаде.

Еще меньшими шумами по сравнению с биполярными транзисторами обладают полевые транзисторы с управляющим переходом. Они имеют только тепловой шум канала. Однако это справедливо лишь при больших сопротивлениях источника сигнала. Это касается и ламповых усилителей. Биполярные лучше работают с низкоомными генераторами.

Если учесть, что шумы зависят от тока эмиттера (коллектора) и напряжения на коллекторе, то второй путь борьбы с шумами – уменьшение и микрорежим по току. При работе на микротоках практически все биполярные транзисторы становятся малошумящими.

Так как коэффициент шума зависит от температуры, то следует избегать нагрева малошумящих каскадов, не располагать их рядом с мощными каскадами.

Большое значение обратного тока коллектора говорит о большой плотности поверхностных состояний перехода, которые случайным образом могут захватывать носители заряда, летящие через p - n -переход, случайным образом отдавать их и, таким образом, давать флуктуации тока через переход, то есть шум. Как правило, транзисторы с малым имеют и малые значения .

Все схемы включения транзистора – ОБ, ОЭ, ОК, имеют практически одинаковые шумовые свойства.

Так как коэффициент шума зависит от тока, то оптимальный ток по шумам, как правило, не совпадает с оптимальным током по режиму транзистора. Вспомнимте, как резко уменьшается при токах менее 1 мА. Поэтому при конструировании малошумящих каскадов предпочтение отдается обеспечению малого коэффициента шума.

С другой стороны, схема, оптимальная по с точки зрения шумов, не является оптимальной с точки зрения согласования сопротивлений источника сигнала и усилителя. В этом случае основной задачей остается обеспечение малого уровня шумов. Все остальные характеристики можно наверстать с помощью последующих каскадов.

О борьбе с шумами не только транзисторов, но и в электронике вообще, можно найти в книге – Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах. / Пер. с англ. М.: Мир, 1979.