12. Шумы электронных приборов
Напряжения и токи в электронных приборах подвержены случайным изменениям, флуктуациям. Они воспринимаются как шумовая составляющая полезных сигнальных токов и напряжений. В условиях слабых сигналов, например, в протяжённых каналах связи (спутниковая связь, оптоволоконные и кабельные линии связи) шумы часто являются главной причиной ошибок и искажений при передаче информации.
Существуют два основных вида шумов электронных приборов: тепловой шум и дробовый шум.
Тепловой шум возникает вследствие хаотического теплового движения носителей заряда. В любом сечении проводника или полупроводника, в любой отрезок времени, суммарный заряд, перенесённый слева направо отличается от заряда, перенесённого справа налево. Это неустранимое отличие ΔQ означает существование случайного по величине и направлению шумового тока iш.т = ΔQ/Δt. Шумовой ток существует вне зависимости от внешнего напряжения. Он создаёт шумовое напряжение uш.т = iш.тR на любом объекте c активным сопротивлением R. Шумит любое сопротивление - сопротивление канала МДП транзистора, сопротивление областей БТ, сопротивление обыкновенного резистора.
Типичная временная диаграмма uш.т изображена на рис. 58а.
Рис. 58
Очевидно, что среднее во времени значение ūш.т = 0. Поэтому количественно тепловой шум оценивается среднеквадратичным значением напряжения шума ūш.т2, рис. 58б:
ūш.т2 = 4kTRΔf (57)
Здесь k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, Δf – полоса частот, в которой шум воспринимается.
Из (57) следует, что тепловой шум можно ослабить следующими способами:
- уменьшением температуры электронных устройств или их частей (иногда применяется);
- применением в электронных устройствах элементов с минимальным сопротивлением (применяется);
- уменьшением полосы пропускания канала связи Δf.
Последнее находится в противоречии с потребностью в широкополосных каналах связи, обеспечивающих бóльшую скорость передачи информации (например, широкополосный интернет). Однако в узкополосных, «медленных» каналах достигается лучшее отношение сигнал/шум. Именно поэтому одно фото с далёкой космической станции может предаваться в течение многих часов.
Дробовый шум возникает при протекании тока в различных объектах – транзисторах, диодах, электронных лампах. Так, количество носителей в каждую единицу времени, пресекающих открытый m-n, p-n переход или пространство между анодом и катодом всегда неодинаково. Отличие может быть очень небольшим, может быть, всего на несколько электронов больше или меньше. Тем не менее, это означает, что ток в таких объектах флуктуирует, т.е. имеет дробовую шумовую составляющую iш.д.
Строго говоря, из-за наличия флуктуаций, постоянные токи в электронных элементах невозможны даже при постоянных напряжениях.
Временные диаграммы и подход к количественной оценке дробового шума аналогичны тем, что относятся к тепловому шуму. Среднеквадратичный дробовый шумовой ток вычисляется по формуле:
iш.д2 = 2qIΔf (58)
Здесь q – элементарный заряд, I – ток в объекте.
Уменьшение дробового шума путем уменьшения токов транзисторов сопровождается уменьшением их усиления и возможно только в некоторых пределах. Поэтому, как и в случае теплового шума, главным способом уменьшения проявлений дробового шума является уменьшение Δf.
При компьютерном моделировании шумовых процессов в электронных схемах ко всем сопротивлениям последовательно с ними подключаются источники шумового напряжения. Ко всем контактам (переходам), в которых протекает ток, параллельно подключаются источники шумового тока.