книги из ГПНТБ / Клейнер, Э. Ю. Основы теории электронных ламп учебное пособие

7.6.2. Фликкер-эффект при работе катода в режиме насыщения

Как уже указывалось, фликкер-шум обусловлен флуктуациями тока эмиссии катода за счет случайных изменений работы выхода малых участков его эмиттирующей поверхности. Существует несколь­ ко теорий фликкер-шума, отличающихся тем, какой механизм изме­ нения работы выхода принят за основу. Но в большинстве случаев, особенно у используемых в современных приборах сложных катодов, состояние поверхности катода зависит от многих факторов. Поэтому фликкер-шум в общем случае не удается объяснить при помощи одного единственного механизма, а приходится рассматривать как сочета­ ние различных процессов. В связи-со сложностью проблемы в настоя­ щее время еще не существует теории фликкер-шума, которая позволя­ ла бы объяснить все известные экспериментальные данные. По одним теориям не получается совпадения с экспериментом по уровню флик­ кер-шума, по другим — по ходу спектра, в частности по значению а для его частотозависимой части.

У катодов, у которых малое значение работы выхода связано с наличием на поверхности моноатомной пленки электроположитель­ ного вещества, основными факторами, обусловливающими возникно­ вение фликкер-шума, по современным воззрениям являются:

а) флуктуации тока эмиссии за счет случайных местных измене­ ний работы выхода катода вследствие испарения с его поверхности отдельных частичек материала или за счет отравления отдельных эмис­ сионных центров катода продуктами разложения налетов на поверх­ ности других электродов, в первую очередь анода; эти налеты обра­ зуются в результате распыления материала катода во время работы лампы и затем разлагаются под действием бомбардировки электрона­ ми, летящими с катода;'

б) флуктуации в ходе физических процессов, за счет которых во время работы катода поддерживается активное состояние его эмитти­ рующей поверхности. Здесь имеются в виду процессы в приповерх­ ностном слое катода, благодаря которым во время работы непрерывно восстанавливается состояние эмиттирующей поверхности, нарушае­ мое процессами, указанными в п. а. Когда на поверхности имеется активирующая пленка, то основным процессом, благодаря которому поддерживается активность поверхности, является диффузия ней­ тральных частичек активирующего вещества через приповерхностный слой к поверхности и по самой поверхности.

Степень влияния тех или иных факторов на.общий уровень воз­ никающего шума зависит от структуры катода. Когда катод изготов­ лен из химически стойкого материала и имеет однородную по глубине структуру, фликкер-шум может отсутствовать, так как не происхо­ дит отравления поверхности и ис-парение частичек с поверхности не меняет ее характера. Так, например, у ламп с чисто вольфрамовым катодом уровень фликкер-шума очень низок. У ламп со сложными катодами он значительно выше.

331

В качестве примера теорий фликкер-шума при отсутствии простран­ ственного заряда перед катодом далее приводится теория, предложен­ ная Шоттки [Л.7.7]. Шоттки предполагает, что фликкер-шум обуслов­ лен флуктуациями работы выхода за счет беспорядочного оседания на поверхности катода атомов вещества, отличного от вещества поверх­ ностного слоя катода.

Предположим, что на поверхность катода поступают отдельные

поляризированного атома в пределах этой площади можно уподобить действию двойного электрического слоя, который согласно теории тонкопленочных катодов [Л.7.81 вызовет на этом участке изменение

Тогда изменение тока эмиссии с площади s за счет изменения ср на Дер будет

где

е р

m - — — .

е0/:Тк

Обозначим теперь число чужеродных атомов, находящихся в момент времени t иа поверхности катода — N (i). По теории Шоттки N (t) — величина флуктуирующая со временем. Тогда возникающий за счет этого шумовой ток

332

кону распределения вероятностей Пуассона, т. е. что AN (/)2 = N, а также что число чужеродных электронов, осевших на поверхности катода за промежуток времени от t до t + At, убывает, например, за счет испарения, по экспоненциальному закону от времени своего пребывания на поверхности, то

подстановки (7.88) получаем

4/л2 N т0 у2

5Ф(/) =■ 1 + ш2 т2

Согласно (7.89) спектральная плотность при низких частотах (сот0<^

ной т0. Теория Шоттки хорошо согласуется с результатами измере­ ний на лампах с вольфрамовым катодом.

Сложнее механизм фликкер-эффекта в случае оксидных катодов. Здесь между эмиттирующей поверхностью катода и его керном име­ ется полупроводниковый слой, через который нейтральные доноры за счет диффузии движутся в сторону поверхности, а доноры в иони­ зированном состоянии за счет электрического поля — к керну ка­ тода. Так как эти процессы имеют случайный характер, то они при­ водят к возникновению низкочастотных шумов. По теории, в которой эти процессы рассматриваются как единственная причина фликкершума, получается спектр, подобный изображенному на рис. 7.10 [Л. 7.9]. При этом наклон его частотозависимой части, т. е. коэффи­ циент а, оказывается зависимым от режима работы лампы. При обыч­ ных рабочих режимах а = 3/2, что совпадает с результатами экспе­

333

риментов [Л. 7.10]. Совпадения уровня фликкер-шума с результа­ тами измерений по этой теории, однако, не получается.

7.6.3. Фликкер-эффект при ограничении тока катода

пространственным зарядом

Демпфирование фликкер-шума пространственным зарядом можно оценивать при помощи коэффициента депрессии фликкер-шума Гфа. Он определяется аналогично коэффициенту депрессии дробового шума Г2 как отношение фликкер-шумов катодного тока лампы в

случае работы ее в режимах пространственного заряда (/щК) и насы­

щения (г’шэ) при условии, что в обоих режимах температура катода одинакова и что значения шумов приведены к одному и тому же зна­ чению катодного тока

Для вывода более общего выражения для Гф обратимся к опре­ делению фликкер-эффекта, данного в § 7.1. Рассмотрим диод с плос­ кой системой электродов. Пусть Д(есрк)п — величина флуктуации работы выхода на малом участке Fn поверхности катода, а Дсркп — величина соответствующей флуктуации потенциального барьера на поверхности катода. Величина флуктуации катодного тока с такой площади

где 1Кп— катодный ток с участка площадью Fn. Для Дфкп путем диф­ ференцирования закона Ричардсона по <ркп легко получить [ср. (7.87)]

< 7 - 9 3 >

* 9 П

где 1эп — ток эмиссии с участка катода Fn\ Д /эп — его флуктуация. Как следует из (2.45), катодный ток любого диода при неизменных температуре катода и размерах системы электродов ^является функ­ цией только двух переменных, тока эмиссии катода / э и реально дей­

ствующей между электродами разности потенциалов U&

/к= /(/,. U ’a\ .

Так как согласно (2.60) Ua определяется приложенным извне напряжением £/а и контактной разностью потенциалов между элек­

где 5 — крутизна характеристики катодного тока диода. Используя это соотношение для тока с участка Fn и подставляя для Афкп выраже­

что согласно физическим представлениям о природе фликкер-шума флуктуации с отдельных участков следует рассматривать как неза­ висимые друг от друга. Если предположить, что температура и сред­ няя плотность тока эмиссии на всех участках поверхности катода

одни и те же, то выражение в скобках формулы для Д7„„ везде будет одинаковым и для среднего квадрата шумового тока со всей поверх­ ности катода можно записать

где /шэ — средний квадрат шумового тока, создаваемого током эмис­ сии со всего катода.

В (7.94) значения 1щК и &э относятся к токам через лампу, имею­ щим разную величину; выражение в скобках поэтому не соответ­

ствует определению Гф. Для того чтобы найти Г | , нужно отнести

г'ши к шуму тока эмиссии, по величине равного / к. Для этого пере­ пишем (7.94) в виде

(7.94а)

Согласно (7.93) Д /э пропорционально / э. Полагая Дфк и Тк одинаковыми, флуктуации тока эмиссии при двух различных его зна-

335

Д/9

асоответствующее значение квадрата тока шумов — как их квадраты

Для определения численных значений Гф (7.95) удобно предста­

безразмерных переменных / к//„

и / 9/ / м

336

ходит в горизонтальный участок. Как можно вывести из (7.95)1

Г | на горизонтальных участках определяется приведенным в на­ чале выражением (7.91).

7.6.4. Низкочастотные шумы за счет эмиссии катодом положительных ионов

У ламп, работающих в режиме ограничения тока пространствен­ ным зарядом, спектральная характеристика низкочастотных шумов в области частот 100—1000 Гц обычно идет несколько выше, чем это соответствует - простой за­

дясь в области минимума, они частично компенсируют отрицательный объемный заряд, что приводит к временному возрастанию катодного то­ ка и тем самым к появлению дополнительной составляющей шума. Спектр дополнительных флуктуаций катодного тока, как было показа­ но [Л. 7.11], описывается закономерностью, подобной (7.89), при значе­ ниях т0 в пределах (1 ч- 5)-10'4 с. У ламп с другими видами катодов природа этой дополнительной составляющей пока не выяснена. До­ полнительная составляющая низкочастотных шумов хорошо видна на рис. 7.12, на котором приведена низкочастотная область полного спектра шумов электронной лампы с оксидным катодом при ее работе в режиме пространственного заряда [Л. 7.12]. Пунктиром на рисунке отмечены спектры отдельных составляющих. При сложении ординат составляющих нужно иметь в виду, что масштабы по осям - лога­ рифмические.

§ 7.7. ШУМОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

Для количественной характеристики уровня шумов электронных ламп величина тока шумов практически не используется. Это выз­ вано следующими причинами.

1. Вопрос об уровне шумов наиболее важен, когда лампа раб тает в качестве усилительной. Однако в этом случае существенным является не абсолютное значение уровня шумов, а отношение уровня шумов к уровню сигнала, подаваемого на вход лампы. Поэтому для оценки уровня шума лампы целесообразно пользоваться не величи­ ной, относящейся, подобно шумовому току, к анодной цепи лампы, а эквивалентной ему величиной в цепи управляющей сетки.

Рис. 7.13. К определению эквивалентной э.д.с. шумов:

а — д л я д и о д о в ; б — д л я лам п с сетками

2.Любая радиотехническая схема представляет собой комплек

туационных шумов. Шум на выходе схемы в целом определяется на­ ложением друг на друга шумов всех содержащихся в ней источников. При расчете результирующего уровня шума неудобно, как показывает опыт, пользоваться для учета уровня шумов ламп величиной шумо­ вого тока. Желательно пользоваться величиной, подходящей для учета уровня шумов и других элементов схемы.

Величинами, которыми в практике пользуются для оценки шума

I. Эквивалентная э.д.с. шумов

Эквивалентная э.д.с. шумов, называемая также э к в и в а л е н т ­

В случае диода под эквивалентной э.д.с. шумов понимают э.д.с. генератора, который необходимо включить в анодную цепь идеаль­ ного нешумящего диода, чтобы в статическом режиме получить в

338

Для расчета Rm по этой формуле, в зависимости от типа лампы,

вместо вщ нужно подставлять (7.97) или (7.98), а для г'ш , в зависи­ мости от вида шума, для которого определяется R m , воспользоваться

выражениями (7.55), (7.67), (7.81) или (7.85). Как и e h , R m в случае диода нужно считать включенным в анодную цепь лампы, в случае ламп с сетками — в цепь управляющей сетки.

Понятием эквивалентной э.д.с. шумов удобнее пользоваться при сравнении уровней шумов и входного сигнала, а понятием сопротив­ ления шумов — при сравнении уровней шумов различных электрон­ ных ламп между собой или при расчете результирующего уровня шума схемы, содержащей несколько независимых источников шума. До­ стоинство сопротивления шумов заключается в том, что с шумовым сопротивлением при расчетах можно оперировать по тем же правилам, что и с обычными электрическими сопротивлениями. Так, например, результирующее шумовое сопротивление двух последовательно вклю­ ченных независимых источников шумов равно сумме их шумовых со­ противлений

Если же в этом случае пользоваться понятием эквивалентных э.д.с., то для нахождения результирующей э.д.с. шумов шумы от­ дельных источников нужно складывать квадратично

4 = 4 + 4 - (7.103)

§ 7.8. ЭКВИВАЛЕНТНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ШУМОВ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП

В общем случае эквивалентное сопротивление, соответствующее шуму какого-либо из рассмотренных ранее источников внутриламповых шумов, зависит от конструкции лампы, режима, в котором она используется, и частоты, на которой работает схема. Наибольший практический интерес представляют шумы электронных ламп в ра­ диовещательном диапазоне частот, т. е. ориентировочно в пределах 20 кГц — 50 МГц. В этих пределах фликкер-шум пренебрежимо мал, а спектры всех остальных источников внутриламповых флуктуационных шумов — «белые». Поэтому в этих пределах частот сопротивле­ ния шумов можно считать независящими от частоты.

Уровень флуктуационных шумов, создаваемый электронной лам­ пой того или иного типа, в общем случае определяется наложением друг на друга флуктуационных шумов различного происхождения, например дробового шума и шума токораспределения — в пентодах,

340