Главная » Книги и журналы

1 ... 19 20 21 22 23 24

рам Шумового TORa tVg, который должен быть neKOife-рентнЫМ по отношению (Ко всем источникам шума, ©стре-чающимся в четырехполюснике.

На выходе шумящего четырехполюсника имеет место общая шумовая мощность, которую можно представить как мощность, связанную с шумовым током Ггобщ, протекающим .между клеммами четырехполюсника /-1:

1гобщ = hg + ir + ИгiG = irg + irn + г( Ус + iKOp) . (16.5)

Коэффициент шума F согласно (16.1) есть отношение эквивалентной мощности шума PraPse/Psa (которая при питании входа 1-1 нешумящей схемы создает на выходе шумовую мощность Рга) К МОЩНОСТИ Шума Pre,

подводимой от генератора ко входу четырехполюсника.

Так как \в F входят только отношения Pra/Psa И PrelPse,

не зависящие от условий согласования, то допустимо вместо фактических мощностей сигнала и шума, снимаемых с источника сигнала и соответственно с выхода четырехполюсника, подставлять номинальные мощности.

Если генератор является источником только теплового шума, то при температуре Го вырабатываемая им шумовая мощность составляет


Р

кТЦ (формула Иайквиста). (16.6)

Шумовая мощность иа входе (клеммы / рехполюспика сигиала составляет

Рга П

р se -

а коэффициент шума равен

/) четы-

О

(16.7)

общ

о

(16.8)

При проведении измерений оказывается, что необходимо определять не амплитуды шумовых .величин, а только их среднеквадратичные значения, которым в соответствии с формулой Найквиста может быть сопоставлена шумовая проводимость (сопротивление) с температурой Го*, общая 1шумопая проводимость

°б1Д- AkToAf

(16.9а)

эквивалентная шумовая проводимость

эквивалентное шумовое сопротивление

п


соответственно


й

функции корреляции (комплеконые), выраженные рез источники щ и iV, имеют вид

кор

а

кор

(16.96)

С помощью выражений (16.8) и (16.9) можно получи эквивалентные соотношения для коэффициента шума.

1 г I г 1 у 12

ить

±- (G + I Yo+ Jkop Г)= -G\Sn + R

2RnRe {Y,opY*g) =

(n + gn

Zo+ 2. рП (16.10a)

либо, используя выражения для шумовых токов U и ir2 (рис, 16.1),

2 Re

V Ни J

(16.106)

Относительно оптимизагиш величины F необходимо

различать два случая:

а) Fz{Gg) проходит через относительный минимум

(16.11а)

Gqo:

в

кор

п

б) Fz(Bg) проходит через относительный мипи>гум при шумовой настройке, т. е. при

5сЧ-5кор = 0. (16.116)

При одновременном выполйенни условий (16.11а) и (16.116) достигается абсолютный минимум шума (шумовое согласование)

= 2[/?пОкор + К^А^

ZMHH

Gmhh


хор



Таким дбразом, наименьший коэффициент Шума

Fzvam зависит только от TipOHaBeAeHKH RnGn и ?пОкор.

При использований обозначений Рхмш и Ggmhh можно записать общее выражение для Fz в виде:

ZMHS

(ie.iir)

Следует заметить, что для схем с чисто реактивными сопротивлениями источников сигнала необходимо использовать 1иные шумовые соотношения, так как у этих источников отсутствует генератор теплового шума.



о

Рис. 16.2. К пояснению метода расчета шумовых параметров схемы с общим эмиттером из шумовых параметров схемы с общей базой.

При анализе шумовых свойств основных схем включения транзистора (рис. 16.2) следует иметь в виду, что для различных схем включения транзистора между параметрами, характеризующими процесс преобразования сигнала, и шумовыми параметрами существуют твердо установленные соотношения. Анализ этих соотношений показывает, что Fze практически всегда совпадает с Fzi (вплоть до частот f/i). То же самое относится и к сопоставлению коэффициента шума схемы с общим коллектором и с общей базой.

16.2. Физические причины шумов

Для суждения о качестве транзистора важно выяснить физические причины, вызывающие действие формальных источников шумов, а также установить связь между Fz н Уа, рабочей точкой и частотой.

Источники шума в транзисторе можно разделить на ие зависящие от тока (тепловые шумы) и зависящие от тока (токовые шумы), которые в свою очередь состоят нз двух компонентов: избыточного (фликкер) шума и дробового шума.

Тепловые шумы связаны с тепловым движением носителей заряда (диффузия!). Так, па однородном проводнике с проводимостью Re(>GJ, при температуре То появляется мощность шума кТоАт, кото-

т


-<

рую можно представить как мощность, вызванную шумовым током irth. Протекающим параллельно Ке(Уо):

irth\AkToAf(Ya).

(16.12а)

При этом Re()GJ следует рассматривать как нешумящее сопротивление. Сама по себе величина irth не определена, соотношение (16.12а) определяет только среднеквадратичное значение тока.

Избыточный шум также может быть учтен с помощью среднеквадратичного значения шумового тока:

с nst

П

(16Л26)

причем m 2, а п обычно близко к 1.

Константа, входящая в это выражение, определяется экспериментально, поскольку она сильно зависит от состояния поверхности.

Наконец, дробовые шумы, когда их причина связывается с флуктуациями числа носителей заряда вследствие того, что нх время жизни конеч}10, дакже могут быть учтены с помощью среднеквадратичного шумового тока;

= 2gIAf (формула Шоттки). (16.12в)

Эта формула при Применении к р-п переходу с преобладающей генерацией носителей заряда в обедненной области должна быть скорректирована с помощью числового коэффициента.

Для транзисторов важными являются шумовые явления в области пробоя, которые можио оценить, используя результаты исследовании аналогичных явлени!! в полупроводпнков]>]х диодах, в которых в области первичного пробоя обнаружены как нестабильности вольтамперной характеристики участке пробоя, так и сильные шумы.

Важнейшей причиной этого является наличие областей нестабильности, т. е. каналов пробоя -так называемых микроплазм, - которые хаотически включаются и выключаются, причем амплитуды импульсов при срабатывании микроплазм, их число и форма сильно зависят от рабочей точки и условий во впепшей схеме, механических папряжепий, условий теплоотвода н освещенности.

Запирающийся слой шумит , однако, не только в нестабильной области характеристики, но также н в области стабильно протекающего пробоя, причем причины шума зависят от вида пробоя. Спектр шума различных видов пробоя запирающего слоя показывает зависимость коэффициента шума от частоты в области 100 Гц- 500 кГц, и например, на низких частотах имеет вид, характерный для избыточного шума (шума типа 1 ).

Обнаружено, что квадрат шумового тока увеличивается на каждый герц полосы частот примерно по закону /3/2 :с ростом тока пробоя, если пробой обусловли-



вается вутреаней полевой эмиссией (туннельным эффектом).

Если пробой обусловливается ударной ионшацией, то эквивалентная шумовая температура почти совпадает со средней тем,пературой горячих носителей заряда, которые обладают энергией, необходимой для ударной ионизации.

В оби;ем случае inpn пробое за счет внутренней полевой эмисаии или за счет ударной ионизации шумовой ток нарастает на каждый герц полосы частот примерно по показательному закону причем п лежит между

3/2 и 5/2.

В области пробоя за счет ударной ионизации пробой первопа-чаль}ю развивается в отдельных каналах, которые образуются преимущественно в местах иеоднородностей, расположенных в запирающем слое.

Ограпиченне тока в отдельных каналах пробоя происходит благодаря образованию дифференциальных распределенных сопротивлений, которые подвергаются влиянию пространствеииого заряда тока пробоя.


Рис. 16.3. Частотная запнсн-мость коэффициента шума fz германиевого бездрейфового транзистора ОС822.

Сопротивление генератора RJ - I кОм. Режим измерений:

(~UcE = i в.

Возникающие итумовые температуры существенно больше температуры горячих носителей заряда; квадрат шумового тока на каждый герц полосы частот становится обратно пропорциональным току пробоя. Если измерить зависимость коэффициента шума от частоты в неизменной рабочей точке, то можно выделить три характерные области (рис. 16.3):

1. В области избыточного шума (0</<f/) коэффициент шума падает с частотой по закону 1 до значения Fq, характеризующего тепловой н дробовый шум

F=Fo{\-\-mnsi ff/M я=0,81,2

м- J

2. Выше частоты ff (зависящей от рабочей точки) в области белого шума F сохраняет пра1тически не зависящее от частоты значение Fq. Источниками шума в данном диапазоне частот являются прямые токи и токи насыщения, а также тепловые шумы последовательных сопротивлений, особенно сопротивления базы.

В то время как анализ области избыточных шумов усложнен трудно контролируемыми явлениями на поверхности полупроводника, экспериментально определенный коэффициент шума в области белого шума хорошо согласуется с теоретически рассчитанной величиной на основании модели схемы замещения. Минимально дост(ИЖ,И'мая величина F в настоящее время составляет примерно 1,3 и при определенных условиях может сравниваться с соответствующей величиной для электронных ламп.

3. При дальнейшем повышении частоты выше значение которой составляет приблизительно fJ}oe (по формуле Фауста /2ofi/10), коэффициент шума снова

возрастает, так как коэффициент передачи тока аь существенно падает, а вместе с тем ухудшается усиление устройства, так что на выходе четырехполюсника источник шума 1г2 становится более ощутимым иа фоне полезного сигнала (рис. 16.1)

16.3, Избыточный шум

Главными причинами появления избыточного шума (flikker noise) являются процессы на поверхности - поверхностные шумы (snrface noise) и токи утечки - шумы утечки (leakage noise, channel noise). Шумы от токов утечки обусловлены токами, протекающими по поверхности запертого р-п перехода в тонком слое с омической проводимостью. Эти токн возрастают с ростом запирающего напряжения; при прямом смещении ими можно обычно пренебречь.

Шумовая схема замещения, построенная на основе этих представлений, показана на рис. 16,4. Поскольку исследуется область относительно низких частот (f<ff), то считается, что нешумящий четырехполюсник сигнала обладает лишь активными (действительными) параметрами четырехполюсника и представляется по существу в виде соответствующей схемы замещения внутреннего транзистора. Сопротивление гь вводится в схему дополнительно.

Источники шума в схеме появляются из-за поверхностных шумов и шумов утечки, причем как со стороны 29* 451



V ---. .

коллектора (irco/iVcr), так и со стороны эмиттера. В активном нормальном режиме со стороны эмиттера принимаются во внимание только поверхностные шумы (ireo). Источники поверхностных шумов в основном локализованы вблизи р-п перехода. В противоположность этому источники шумов утечки со стороны коллектора следует считать расположенными более прошвольно, хотя из


Нешумный внутренний* транзистор

гео



Внутренний транзистор

-.ft



ис. 16/1. Ш\мопая эквивалентная схема замещения для области н:ю1лточных (фл1П<1:ер) ш\ мов:

О схема с истомниками шу.моп в виде iсисраторои t(ik:i иа чходс и па 1;ы\одо траиггнстора:

f>) схема Bail лор Зила. Виутрсмти ! четыр'-Г'.И'-.иосипк имеет параметры

соображении лучшего совпадения эксперпмепта и расчета в схему вводится корректирующее пц-мовое папряже-ние Urbc последовательпо с шумовым напряжением Ыгь, обуслопленны.м тепловыми шумами в сопротивлении гь.

Обычно ролью этого дополнительного источника шума пренебрегают по сравнению с влиянием источника шума Ьсг, которые, в свою очередь, в хороших транзисторах и при малых напряжениях иа коллекторе (-f/cu<10B) играет менее важную роль, чем источник поверхностных шумов. Это существенно зависит от качества обработки поверхности и, следовательно, от технологических условий. Кроме того, для п-р-п транзисторов это влияние должно быть слабее, чем для р-п-р транзисторов.

Если пренебречь источнигками шума ircr п н,ьг, то можно считать, что шумовые явления в области избыточных шумов учитываются тремя источниками: итъ, ireo, irco, причем шь является некогерентной

величиной йо 61эд6Шеййк) другим токам. Между *г о и frc , как показывает эксперимент, имеется сильная корреляция.

При расчете шумовых характеристик наиболее удобной оказывается схема рис. 16,4,6, с помощью которой можно рассчитать такие шумовые параметры внешнего транзлстора, как Gn, Укор, а также эквивалентную шумовую проводимость gn-

В свою очередь знание gn при известной величине гь позволяет определить минимальный коэффициент шума Fzi

2МИН

2 \rbgn+ Vrbgn{\ + ьЯп)].

(16.13)

На рис. 16.5 н 16.6 показаны экспериментальные за-В'исимости Gu Rn и gn от частоты для области избыточных шумов. Элементы Rn и Gn могут рассматриваться

L-. 1 1 1 1

G, mCum


Рис. 16.5. Зависимость эквивалентного шумового сопротивления Rn II шумовой проводимости G>. для германиевого бездрейфового транзистора ОС812 от частоты. Режим: (-Lc£-J=l В.

состоящими из двух комлонентов; не зависящего от частоты и зависящего от частоты по закону 1 . Коэффипиент шума fz имеет такой же характер зависимости.

Прп экспериментальном исследовании температурной зависимости шумовых параметров обнаруживается, что квадрат величины шумовохо тока на выходе четырехполюсника при уменьшении температуры сначала увеличивается, имеет максимум и затем падает при температурах, существенно меньших О'С. В области низких температур коэффициент шума слабо растет с увеличением тока эмиттера.

Шумовые параметры области избыточных шумов gn, Яко-р^п могут сильно колебаться для различных экземпляров одного н тог# же типа транзистора, так как эти параметры зависят практически



только от факторов, которые связаны с технологией изготовления и которые весьма трудно учесть в расчетах (негерметичнын корпус, влияние влажности). Тем не менее корреляция между электрическими параметрами и шумами транзистора устанавливается вполне определенная: транзисторы с очень большими значениями /сво или с нестабильными остаточными токами и вообще дефектные транзисторы склонны к повышенным избыточным шумам.



Рис. 16.6. Частотная зависимость эквивалентной шумовой проводимости gu германиевого бездрейфового транзистора ОС812. Режим: (-uce) = I В.

16.4. Дробовый шум

В нротивоноложиость случаю рассмотрения hivmob в области избыточных шумов, когда главное значение придается результатам эксперимента, в случае анализа шумовых свойств в области дробового И1ума можно заранее рассчитать (на основе близких к действительности модельных представлеппй) нпмовые параметры и дать надежные предсказания относительно мштималь-ной величины коэффициента шума гмшь

Теоретический анализ идет при этом по нескольким направлениям: на основе корпускулярных представлении, на основе термодинамических соображений, а также па основе комбинации этих методов. Термодпиа1М]1ческий анализ тесно связан с описанием процесса переноса неосновных носителей заряда. При этом исходят из того, что часть причин, обусловливающих появление шумов, действует в области базы, а часть -в областях последовательных сопротивлений.

Причины шумов внутреннего транзистора связаны с процессами в области базы; с диффузией и рекомбинацией инжектированных неосновных носителей заряда. Последний .процесс можно представить как супер-

пбзицик) двух не зависящих друг от Друга флy tyaЦиoн-ных нроцесссов - генерации и рекомбинации, так как оба являются чисто случайными явлениями.

В (Пределах области базы, в условиях малого уровня инжекции, каждый нз этих двух процессов протекает в каждой точке базы х (рис. 16.7). В этом случае среднеквадратичное значение шумового тока, возникающего в результате наличия рекомбинационных и генерационных шумов, в области между х и x-dx описывается формулой для дробового шума, эквивалентной формуле Шоттки [уравнение (16.12в)]

ч

==-~-а цр (х) + 2/?о) dx 2qAf]*), (16.14)

Таким образом, в точке х базы должен появиться источник шумового тока irx-

Независимо от этого в точке х возникает шумовое напряжение и\., обусловленное диффузией носителей, квадратичное значение которого равно

=rqdpa-4(p (х)]+ po)dxaf, (16.15)

и

По смыслу своего возникновения шумовое напряжение и'гх должно быть включе1ю последовательно с г\ а шумовой ток -параллельно g\

Расчет эквивалентной схемы замещения позволяет установить также связь между шумовыми параметрами, рабочей точкой и внутренними параметрами четырехполюсника, причем оказывается, что знание рабочей точки и параметров четырехполюсника достаточно для расчета среднеквадратичных (начсннн токов:

Г1

г

4/г7о Re (1/0-2/1 f-2qfc + ft,re{y,)] af,

2кт, (у/ +t/%)>f.

(16.16)

В соответствии с представлением о шумовых свойствах плоскостных диодов среднеквадратичное значение niyMOBoro тока, появляющегося, например, в эмиттериом переходе, складывается из среднего квадрата тока, обусловленного дифференциальной проводимостью (Re(£/i)), и теплового шума за вычетом квадрата дробовых шумов 2qlEf-

Кроме причин воз1П1Кновения шумов, связанных с диффузионным пространством базы, следует учесть еще и тепловые шумы последовательных сопротивлений, в частности сопротивлен]1я базьь Среднеквадратичное значение шумового напряжения, обусловленного этой причиной, равно

(16.17)

*i р'{х)р{х)~ро.



причем 5to шумо&ое напряжение -в сйЛу своего происхождения некогерентно ко всем остальным источникам шумов. Соотношение (16.17) настолько хорошо выполняется, что его даже предлагается использовать для определения гь.

Данное рассмотрение причин шумов в области дробового шума справедливо только в рамках теории Шокли, т. е. для германиевых транзисторов при малом уровне инжекции и однородной (бездрейфовой) базе.

Исходя нз уравнений (16.16), можно получить также и шумовые соотношения для дрейфового транзистора, если попользовать видоизмененные параметры сигнала. При этом шумовые соотношения согласуются с экспериментальными до частот i.

Для низких частот в выражения, описывающие источники шума, входят только проводимости gi и gf внутреннего транзистора, которые можно определить из уравнений вольтамперных характеристик (2.11):


е + ея{~Л,)

и

с'в

е'в

и

с'в

и

е

сво^/(>

и тем самым установить связь между источниками шума и характеристическимп параметрами семейства характеристик. Соответственно этому следует сделать выводы.

1. Прп применении выражений для прямых токов и токов насыщения [уравнения (2,29), (2.30)] на основании аналогии с процессом возникновения дробовых шумов в плоскостных диодах можно получить соотношения

miEFl-ES,) iES,

<0).

(1б.18а)

2qf (/


Ь ri- Г2

сег

Эти соотношения можно интерпретировать так: среднеквадратичные значения шумовых токов обусловлены тем, что каждый компонент тока вносит вклад в источники шумов на входе и на выходе в виде неослабленного шумового тока, а корреляционное произведение определяется только прямым коллекторным током.


2. Соотношения для также как функции общих токо© 1в, 1с:

1/+ 2/(1-л|7vn=

AI +

СВО

(16.186)

Квадраты значений шумовых токов, определяемые уравнением (16.18а), обусловлены шумовыми токами iri и /г2 (рис. 16.7), одна1КО при более детальном анализе на основе физической схемы замещения (рис. 16.8) это соображение оказывается неточным.



Рис. 16.7. Представление области базы как модели, составленной из проводимостей, при учете предположения, что шум создается только внутри отрезка х и x-dx.

Оба источника шумов и'. и i. могут быть трансформированы ко входу и выходу длинной линии (Vix r2-J- Генераторы шума и 1 включают в себя трансформированные составляющие шума всей длинной линии.

Шумовой ток iri со стороны входа состоит из некогерентных шумовыхтоков irefi и ires, вызванных прямым током (Iefi), и током насыщения /es, причем их среднеквадратичные значения определяются следующим образом:

refl

2qfl

EFl

(1бЛ9а)

2qhf I

Некогерентность этих токов обусловлена различной их природой (преобладающая тепловая генерация обусловливает протекание тока насыщения, диффузия - прямого тока).

По аналогии с представлением о распределении постоянного тока внутри области базы принимается, что



первоначальный шумовой ток Uefi в базе также претерпевает изменения, так что коллектора достигает только его часть odren = ircfi-

Вследствие этого возникают дополнительные шумы (подобные шумам в многосеточных лампах), которые учитываются источником шума iw, не когерентным ко всем шумам прямого тока и тока насыщения.

Коллекторный ток miren также обладает дробовыми

шумами:

(16.196)

Через коллекторный переход протекает дополнительно еще постоянный ток насыщения /csg, с которым связано появление шумового тока

(16Л9в)

Шумовая схема замещения (рис. 16.8,а) содержит на входе два, а на выходе три пекогерентных друг с другом источника шумовых токов.

Схема рис. 16.8,а, эквивалентна схеме рис. 16.8,6, которая содержит источники П1умовых токов aolre, irv а ircO-Шумовой ток /гсо приближенно можно считать обусловленным остаточным током /гло-


гсо

(16.19г)

Можно получить более простую общую схему замещения, если первоначально произвольно выбранную сигнальную схему замещения четырехполюсника конкретизировать таким образолт, чтобы в ней источники сигнала могли легко сопоставляться с источниками шумов. На рпс. 16.8,в показана одна из таких схем, в которой источник шумового тока на входе ire заменен генератором шумового напряжения и'г.

Шумовой ток ire, нротскающий во входной цепи при короткозамкнутых клеммах Е-В', создает между клеммами С-В^ ток aire, который добавляется к току сигна-

ла ао/е- Кроме того, в схему включается самостоятельный источник шумового тока

Irv I ircO~

Эта схема замещения (Ван дер Зила и др.) в области низких частот не имеет никакой корреляции между и

1



Vrc С увеличением же частоты таЙая корреляция

ляется.

Схема замещения (рис. 16.8,г) (Джиа-колетто) содержит дополнительный 1Источ!Ник шумового тока между эмиттером И коллектором. Все входящие в нее шумовые токи некогерентны друг с друго^м.

Внутренний транзистор

Е С\

I , I


т

,j внешний транзистор

Е с\ I %

о

В' i т т т





rbfl Ves

,j бнутреннаи транзистор

rv rco

PuQ. iG.b. Различные шумовые эквивалентные схемы за.меш,ения Tpait-знстора для области дробового шума.

4) иыде/ieiiKc f, генераторах шумо. ого тока коллектора и эмкттера составляющих шума тока насыщения, прямого тока и шума токораспределсния. Схема замещения по осиовиому сигналу может быть любой.

б) то же самое, что и а), лишь со стороны коллектора перегруппированы шуу.овые токн;

в) использование схемы замещения по основному сигналу для изображения составляющей шумового тока со стороны коллектора, В этом случае уже нельзя произвольно выбирать схему замещения по основному сигналу. Генераторы токовых шумов иа входе преоб^разованы в генератор шумового напряжения. Шумовая схем.1 замещения носит имя Ван дер Зила и др.

5) шумовая схема замещения Джнаколетто, в которой все генераторы шумоа лруг с другом некогерентны.

Таким образом, можно сделать вывод, что шумы в плоскостных транзисторах определяются четырьмя источниками шумов:



а) тьплоБыми шумами сопротивления базы

б) дробовыми шумами эмиттерного перехода

в) дробовыми шумами коллекторного тока насыще-

г) шумами токораспределения между коллектором и базой

2qAf (1 - а) 1,.

16.5. Коэффициент шума и его физический смысл

Для оценки влияния всех источников шумов на коэф фициент шума F необходимо все источники шумов тран сформировать к внешним клеммам четырехполюсника

* г /г



Рис. 16.9. Зависимость от тока ипмовых параметров У? , G и /?1гор транзистора ОС812. Режим: ~UcF.\ В, f-10 кГц.

В результате преобразований выясняется, что шумовые параметры зависят от рабочей точки, частоты, параметров четырехполюсника и сопротивления базы, причем анализ эгих запиоимостей упрощается для области низких и высоких частот.

Коэффициент шума лри низких частотах. В области частот, примьгкающей к области избыточного шума, коэффициент шума не зависит от частоты. Источники шума транзистора выдают во внешнюю цепь белый шум .

г...-


Однако шумовые параметры йами по се зависят от режима работы транзистора. На рис. 16.9 показаны экспериментальные зависимости Gn, Япу Rkov от тока коллектора. Обращает на себя внимание возрастание Gn я Rn с ростом тока. Шумовые параметры Rno и gkopo/tio, кроме того, обладают минимумом в области малых токов эмиттера, что отражается также и на величине Fz-Напряжение па (Коллекторе незначительно влияет на ход этих {Кривых, если оно не превышает нескольких вольт. Возрастание F начинается только при больших напряжениях.

Коэффициент шума для схем с общей базой и с общим эмиттером (при aoel, /свосе) приблизительно равен

z оЪ.е

2GQr

0(1 -0)

(16.20)

a для схемы с общим коллектором соответственно

о

а,(1 - а,)

C/JO

е

{Гь + Rn)

(16.21)

Анализ какого-либо из этих коэффициентов, напри-

мер Fziih, позволяет обнаружить причины, действующие в области дробовых шумов (сопротивление базы, эмиттерный переход, шумы токораспределения и дробовые !нумы тока паСыщения коллектора), хотя действие отдельных причин нельзя просто суммировать.

Коэффнцлент шума F зависит как от Rg, так и от ;. Интересно выяснить наименьшее его значение. Сточки зрения оптимизации F по Rq получается, что при условиях согласования по шуму

7 ми и


и

т

£мип


а

(16.22)

Хотя при выводе соотношений (16.22) были сделаны ограничивающие предположения, что эти соотношения



отражают требования, предъявляемые к свойгствам тран-зи-стара для достижения минималыного значения коэффициента шума: малое сопротивление базы, шалый остаточный ток коллектора /сво и большой коэффициент передачи тока аое. Кроме того, транзистор должен рабо-ботать при относительно малом токе эмиттера.

В качестве примера можно привести следующие данные транзистора ОС814 (-чС/св = 1 В): /сво=15 мкА, гь=200 Ом, ао.=40, /емин=90 мкА, мин=0,8. Чтю кэсается зависимости F от рабочей точки и от температуры, то помимо упомянутого влияния тока эмиттера, наблюдается и зависимость от напряжения на коллекторе, причем очень слабая в интервале малых напряжен'ий(-С/св~ 1-10 В) и довольно значительная при напряжениях, достигающих области пробоя.

При анализе температурной зависимости выясняется, что при малых сопротивлениях генератора (ниже значений, соответствующих согласованию по шуму) наблюдается возрастание F вследствие возрастания сопротивления базы, а при сопротивлениях, превышающих значение, соответствующее согласованию, наблюдается уменьшение F до тех пор, по-ка ао растет с температурой. Если принять во внимание также остаточный ток коллектора, то в этом случае при высоких сопротивлениях генератора F, возрастает. Соотношения для коэффициентов шума для схем с обишм эмиттером и с обпшм коллектором имеют вил, аналогичный коэффипиенту Н1ума для схемы с пб-П1ей базой.

Коэффициент шума при высоких частотах. По мере роста частоты все сильнее начинает сказываться частотная зависимость сигнальных и шумовых параметров, которая должна привести в первую очередь к увеличению у'и (емкость эмиттера Ср\). Несколько слабее сказывается рост частоты на величине внутренней крутизны (yi), которая незначительно уменьшается и вплоть до частот ffi остается действительной величиной и почти постоянной по модулю. Поэтому в расчетах принимают вместо точного значения комплексной величины у^2\ приближенное значение ginohJUr- Физические причины шумов остаются неизменными и при высоких частотах.

Так, если использовать низкочастотное значение gno для получения общей формулы для gn, справедливой в области высоких частот, то при условии

а

о

1 +/(а)/а),)


можно найти

сво

(16.23)


На рис. 16.10 показана частотная характеристика проводимости gn, откуда .видно, что частота удвоения величины grni(C02o) зависит от тока эмиттера: для Icbq

</f?(l-ао) имеет место (02oCOill-оо, а для /сво^

Строгое соотношение для минимального коэффициента шума имеет весьма громоздкий вид. Анализ этого


Рис. 16.10. Схематичное изображение зависимости эквивалентной шумовой проводимости gn от частоты при малых и больших токах эмиттера.

Аналогичная зависимость наблюдается и для если выполнено условие ffjr,

соотношения показывает, что для токов эмиттера >/сво частотная зависимость коэффициента шума F

в первую очередь определяется разностью А = ао-аьр-С увеличением этой разности возрастает и F, хотя другие величины, определяющие F, могут считаться не зависящими от частоты. При таком предположении определенная граничная частота равна

-о. (16.24)

откуда непосредственно видно, что созо тем больше, чем больше 0)1 и ао. Другими словами, к требованиям, связанным с достижением минимального низкочастотного значения коэффициента шума Fbmuirh, /гво, cto), при желании получить минимальное значение F на высокой частоте добавляется требование большой граничной частоты 0)1.

Следует отметить, что формула для частоты удвоения 0)20 была подтверждена и для транзисторов различных технологических типов (дрейфовых, меза, PADT), хотя при ее выводе имелись в виду условия, ограниченные однородной базой.

Минимальный коэффициент шума увеличивается не только с ростом частоты, но и с ростом тока эмиттера, причем сильнее, лем при низких частотах. На рис. 16.3 показаны графики подобных зависимостей, из которых видно, что выше частоты ого частотная зависимость имеет примерно квадратичный вид, что и следует из теоретических расчетов.



%ci4)THaft эав11сни€н№про1вадимости источника сигнала Саышя (рис. 6.11) может быть качественно оценена по формуле


Омин Р

Начиная с низкочастотного значения Ооомин проводимость источника сигнала возражает, что связано с ростом Rn и Gn, пока, наконец, мин не достигает асимптотического значения 1/гь. В ходе зависимости коэффициента шума F от Rg минимум мин сдвигается с ростом частоты как в область малых сопротивлений источника сиг-

мии А


Рис. 16.11. Зависимость проводи мости источника сигнала, необхо димого для шумового согласова ния, от частоты.

нала, так и в область больших значений F, причем изменения F усиливаются с возрастанием частоты Важно отметить факт уменьшения коэффициента шума на высоких частотах с ростом индуктивности базовых выводов. нроявляюш.ийся вследствие наличия емкости заипрающего слоя коллектора и конструктивной емкости, причем при этом, конечно, снижается и коэффициент усиления но мощности.

16.6. Шумы кремниевых транзисторов. Шумы при высоком уровне инжекции. Шум неизотермического эффекта

В области комнатных температур и при малых плотностях тока вышеприведенный анализ шумовых явлений может объяснить шумовые свойства германиевых транзисторов, по не может объяснить эти свойства при низких температурах пли больших плотностях тока. Шумовые же свойства кремниевых транзисторов этими соображениями вообще нельзя объяснить. Как показывает опыт, кремниевые приборы шумят сильнее, чем следует из теоретического расчета. Что касается плотностей тока, то с этих позиций отклонения от теоретических расчетов Становятся особенно заметными при высоких частотах. В кремниевых транзисторах рекомбинацией носителей заряда внутри запирающего слоя эмиттера пренебрегать нельзя, что учитывается в схеме замещения введением коэффициента \Х^2. С точки зрения величины коэффициента X следует отметить, что при малых токах эмиттера преобладает рекомбинационный компонент эмит-

у. - ,ч




тер-ного tOiKa (А. *2), при средних -диффузион-

ный компонент, при дальнейшем увеличении тока, котда наступает ©ыоокий уровень инжекции (Х^\2) начинает играть роль и дрейф носителей в нейтральной области.

Как следствие усиленной рекомбинации со стороны эмиттера, увеличивается соответствующая доля шумов, другими словами, увеличивается шумовой ток Iri (рис. 16.7).

Теперь среднеквадратичное значение этого тока раето


f,af

(16.25)

а коэффициент шума в области дробового шума

Fb4kT,R = 2qI

у'и

(16.26)

Отсюда ВИДНО, что значения Ft более высокие, чем соответствующие значения эквивалентных по параметрам германиевых транзисторов. Остаточный ток коллектора кремниевых транзисторов иа несколько порядков меньше, чем у германиевых, и поэтому им можно вообще пренебречь.

Зависимости коэффициента шума от рабочей точки и от сопротивления генератора мало отличаются от ранее рассмотренных записимостей. В общем, однако, и здесь при высоких частотах устаповлепы большие значения коэффициента шума для германиевых транзисторов, чем для кремниевых.

При плотностях эмиттерного тока больших, чем

установлено довольно существенное отклонение экспериментальных шум01вых параметров от рассчитанных -на основании прежних теорий. ТГричины этого разнообразны; явления высокого уровня инжекции в статическом и динамическом режиме, поверхностная рекомбинация, которой уже нельзя пренебречь, возможны также и тепловые эффекты. Суммарное количественное плияние .всех этих эффектов трудно учесть. Поэтому при исследовании шумовых свойств исходят из сигнальной схемы замещения транзистора (рис. 16.12),составленной из цепочек,со-



1 ... 19 20 21 22 23 24
Яндекс.Метрика