книги из ГПНТБ / Кушманов И.В. Электронные приборы учеб. пособие

Усреднение за длительный промежуток времени даст нам среднее значение плотности тока эмиссии /0 или постоянную составляющую плотности эмиссионного тока. Эта величина и регистрируется обыч­ ными измерительными приборами. Флуктуации тока, т. е. отклоне­ ние от среднего значения, можно наблюдать на экране осциллогра­ фа лишь после усиления в миллионы или более раз. Акустически дробовой шум воспринимается как постоянное шипение, подобное шуму сильного дождя. Акустическая имитация дробового шума мо-‘ жет быть осуществлена также падением большого количества мел­ ких дробинок на металлическую мембрану. Отсюда и произошло название «дробовой шум».

Ток дробового шума для диода, работающего в режиме насы­ щения, можно рассчитать по формуле

где q — заряд электрона; /ао— постоянная составляющая анодного

для его снижения целесообразно работать с малыми анодными то­ ками. Энергетический спектр дробового шума постоянен в диапа­ зоне от низких частот до свч.

Диод в режиме насыщения можно использовать как шумовой генератор для измерительных целей. В этом случае, зная полосу фильтра, стоящего после диода, шумовой ток можно изменить ре­ гулировкой напряжения накала диода. При этом изменение /ао, ре­ гистрируемое прибором постоянного тока, можно проградуировать в значениях тока дробового шума. Получается простой шумовой генератор с непосредственным отсчетом шумового тока по обычно­ му миллиамперметру. Такой шумовой генератор можно использо­ вать для сравнения шумов генератора с шумами испытуемого прибора.

В режиме пространственного заряда дробовой шум ослабляет­ ся. Это ослабление связано с тем, что пространственный заряд, на­ ходящийся у катода, сглаживает неравномерность поступления электронов на анод, вызванную неравномерностью их вылета с ка­ тода. Допустим, что за данный малый интервал времени т произо­ шло увеличение эмиссии электронов по сравнению с ее средним значением. Вследствие этого происходит увеличение плотности про­ странственного заряда у катода и повышение потенциального барь­ ера, и часть электронов из числа тех, которые ранее преодолевали его, теперь возвратятся на катод из-за недостаточных начальных скоростей. С другой стороны, в какой-нибудь другой момент вре­ мени при уменьшении тока эмиссии по сравнению с его средним значением плотность пространственного заряда у.катода умень­ шается, уменьшается и потенциальный барьер. В этих условиях часть электронов из числа тех, которые ранее, вследствие недо­ статочных начальных скоростей, возвращались на катод, теперь смогут преодолеть потенциальный барьер и будут проходить к

340

аноду. 'Іакнм образом, величина анодного тока как бы автомати­ чески регулируется пространственным зарядом при флуктуациях тока эмиссии.

В режиме пространственного заряда формула тока дробового шума имеет вид

ляющий относительную величину колебаний анодного тока, вызы­ ваемых изменениями тока эмиссии, и являющийся мерой ослабле­ ния дробового эффекта благодаря пространственному заряду. Зна­ чение В равно 0,1 ч-0,5.

Шумы поверхностного эффекта. Эти шумы называются еще фликкершумамн, или шумами мерцания катода. Происхождение их связывают с изменением физико-химического состояния поверх­ ности катода. Возникают они из-за непрерывного изменения эмис­ сионной способности катода. В разные интервалы времени отдель­ ные участки катода дают разную эмиссию электронов. Получается как бы мерцание отдельных участков катода по величине элект­ ронной эмиссии. Особенно сильные шумы мерцания возникают в лампах с оксидным катодом, эмиссионная способность которого зависит от концентрации атомов бария в покрытии. Поскольку в катоде происходит отвод ионов бария электрическим полем к кер­ ну, диффузияих к поверхности и образование бария из окисла ба­ рия, то локальная концентрация бария непрерывно отклоняется от среднего значения. У других типов катодов эмиссия более стабиль­ на и шумы мерцания меньше.

Эмиссия катода изменяется медленно, поэтому шумы мерцания имеют только низкочастотные составляющие, амплитуды которых

убывают с частотой по закону /ш = A/J/7, где А — коэффициент пропорциональности, зависящий от типа катода. На частотах по­ рядка нескольких десятков герц шумы мерцания превосходят дро­ бовые в десятки или даже сотни раз. При частотах больше 1 кГц шумы мерцания много меньше дробовых.

Шумы токораспределения. Эти шумы возникают в лампах с по­

беспорядочных изменений траекторий электронов. Чем меньше то­ ки сеток, т. е. чем ближе величина анодного тока к величине ка­ тодного, тем меньше шумы токораспределения.

Шумы вторичной эмиссии. Если в лампе возникает вторичная эмиссия с какого-либо электрода (например, экранирующей сетки) и вторичные электроны с этого электрода попадают на анод, то флуктуации анодного тока увеличиваются, так как выход вторич­ ных электронов из электродов, так же как и термоэлектронная эмиссия, является процессом статистическим.

341

Подавление динатронного эффекта в лампах с защитной сеткой несколько уменьшает шумы, но все-таки не устраняет их пол­ ностью.

Расчет шумов токораспределения и вторичной эмиссии произ­ водят по ф-ле (7.2), где коэффициент В соответственно увеличива­ ют на основании опытных данных.

Шумовые параметры электронных ламп

Шумовые свойства ламп принято характеризовать эк­ вивалентным напряжением или эквивалентным сопротивлением шумов. Однако у транзисторов, появившихся и развившихся позд­ нее ламп, шумовые свойства оценивают при помощи коэффициента шума. Такая оценка шума более удобна и универсальна.

Коэффициент шума устройства с электронным прибором опре­ деляется соотношением

(Яс/Рш)Вых

где (Рс/Рш)пк — отношение мощностей сигнала и шума на входе и {Рс/Рт)вых — отношение мощностей сигнала и шума на выходе. Коэффициент шума (7.3) выражается в децибелах. Как сигнал, так

ишум измеряются при согласованной нагрузке, причем температу­ ра источника шума принимается равной 293 К. В идеальном ус­ тройстве, которое не добавляет шумов к сигналу, коэффициент шума равен 0 дБ.

Другой общепринятой мерой величины шума прибора является температура шумов. Для малошумящих приборов свч диапазона она является более удобным параметром, чем коэффициент шума,

иопределяется из следующего выражения:

шума прибора в F—1 раз больше температуры окружающей среды, что означает соответствующее увеличение тепловых шумов входно­ го сопротивления, если считать, что прибор не вносит собственных шумов, а его реальные шумы отнесены к шумам входного сопротив­

342

Напряжение приведенного удельного шума или эквивалентное напряжение шума на сетке определяется следующим образом (рис. 7.2). Лампу считают, нешумящей, а шумовой ток в ее анодной цепи, обусловленный рассмотренными выше причинами, считают вы­ званным действием генератора шумовой эдс, включенного в цепь управляющей сетки. Напряжение этого генератора и сш должно быть таким, чтобы вызвать в анодной цепи прохождение реального шумового тока /ш Учитывая, что Im = S\Ucm и принимая во внима­ ние ф-лу (7.2), получаем

Таким образом, шум анодной цепи лампы приведен к цепи сетки. Для того чтобы дать оценку лампе в отношении создаваемого ею шума независимо от полосы пропускания усилителя, берут удельный приведенный шум или удельное эквивалентное напряже­

ние шума на сетке, отнесенное к полосе частот Д/ = 1 кГц:

Величину этого напряжения измеряют в мкВ/кГцІ/2'; удельный шум, приведенный к цепи сетки в приемно-усилительных лампах, равен: в триодах 0,04-^0,25 мкВ/кГц|/2 , в пентодах 0,Дч- -f-0,5 мк'В/кГц1/2 , а в частотно-преобразовательных лампах его ве­ личина доходит до іі—3 мкВ/кГц1/2 . Использование в качестве шу­ мового параметра приведенного к цепи сетки шума удобно лишь с той точки зрения, что позволяет непосредственно сравнить напря­ жение шумов Uсш с напряжением полезного сигнала Uc, прило­ женного ко входу лампы, т. е. найти отношение сигнал/шум.

Можно оценить уровень шума в лампе также и величиной эк­ вивалентного шумового сопротивления. Такой способ оценки лам­ повых шумов основан на замене приведенного сеточного напря­ жения шума напряжением шумов воображаемого сопротивления, находящегося при комнатной температуре и дающего такой же

где Rm— величина «шумящего» сопротивления; Т — его абсолют­ ная температура; k — постоянная Больцмана и Д/-— полоса, в ко­ торой рассматриваются шумы. (Приравнивая между собой выраже­ ния (7.7 и 7.5), получаем

1/4 £ Т Я шД /= -|- 1 /2 9/а0Д/. Определим отсюда Rm:

343

Эта формула справедлива для триода, для которого значение Rm составляет 0,15-М,5 кОм.

Для пентода эквивалентное шумовое сопротивление определяет­ ся формулой

тивление Rm — в кОм. Величина Rm пентодов составляет 0,5-г- —г—30' кОм.

Способ измерения уровня внутриламповых шумов величиной эк­ вивалентного сопротивления имеет то преимущество, что позволяет арифметическим суммированием находить общий шум лампы и тех сопротивлений, которые включены в цепь сетки, тогда как при из­ мерении шума лампы эквивалентным напряжением общий шум должен определяться геометрической суммой величин.

Значения коэффициента шума для разных типов ламп весьма различны и зависят от материала катода, конструкции и крутизны лампы. У пентодов шум больше, чем у триодов, из-за шумов токораспределения и вторичной эмиссии. Чем выше крутизна, тем вы­ ше отношение сигнал—шум на выходе.

Современные приемно-усилительные лампы по величине коэф­ фициента шума можно разделить на две группы. К одной группе относятся, например, лампы 6Н1П, 6Н2П. Они имеют зависимость коэффициента шума от частоты, равномерно падающую от 40-4 4-50 дБ на частоте '20 Гц до 5-4-15 дБ на частоте 104 Гц. К другой группе относятся малошумящие лампы. Эти лампы имеют круто падающую зависимость шумо'в от частоты: 204-30 дБ «а частоте 20 Гц и 2 дБ и менее на частоте 1000 Гц. Для них точка выхода на дробовые шумы (точка, где резко уменьшаются шумы мерцания катода) соответствует частотам в несколько сотен герц.

Шумы электронных ламп зависят от технологии изготовления, конструкции, режима и частотного диапазона лампы.

Лампы с катодами из чистых металлов шумят меньше, чем со сложными катодами в силу меньшего проявления поверхностного эффекта. На шумы, связанные со вторичной эмиссией, большое влияние оказывают способы обработки электродов, дающие малое значение коэффициента вторичной эмиссии (покрытие сеток благо­ родными металлами, хорошее обезгаживание электродов). Для снижения коэффициента шума целесообразно также применять массивные катоды с 'большой эмиссионной способностью. В этом случае ослабление дробового эффекта пространственным зарядом будет эффективнее.

В конструктивном отношении хорошие результаты для сниже­ ния шумов дают применение в лампах малых расстояний сетка— катод (большая крутизна лампы), фокусировка электронных по­ токов (лучевые лампы), использование редких экранирующих се­ ток, уменьшающих ток экранной сетки и боответственно шумы токораспределеиия.

344

Оптимальный выбор питающих сеточных, анодных и экранных ■напряжений также позволяет получить некоторое снижение шумов лампы.

Частотная зависимость коэффициента шума лампы может быть представлена ходом примерной кривой, изображенной на рис. 7.3.

токов, а также от увеличения входной проводимости.

Шумы вакуумных диодов оцениваются с помощью коэффициен­ та шума, который в данном случае определяется несколько иначе, чем для ламп с сетками, а именно:

где Ря — мощность шумов реального диода; PR — мощность шумов ■сопротивления, равного сопротивлению постоянному току для дио­ да, находящегося при комнатной температуре.

7.2. ШУМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Шумы полупроводниковых приборов имеют много об­ щих закономерностей с шумами электронных ламп. Величина шу­ ма и полупроводникового материала значительно выше, чем тепло­ вого шума проволочного сопротивления.

Исходя из экспериментальных данных, можно выделить в об­ щем шуме полупроводника несколько составляющих.

Тепловой шум полупроводника наблюдается при отсутствии то­ ка через полупроводник. Спектр такого шума равномерен до свч. При более высоких частотах напряжение шумов уменьшается. В полупроводниках с проводимостью п-типа тепловой шум является результатом хаотического теплового движения электронов, приво­ дящего к переносу зарядов и возникновению напряжения шумов (среднее значение которого равно нулю). Расчет теплового напря­ жения шумов для полупроводников производится по той же фор­ муле, что и для металлов (7.7).

Шум генерации и рекомбинации носителей возникает как ре­ зультат флуктуации концентрации носителей из-за статистическо­

345

го характера процессов их генерации и рекомбинации. Ток в полу­ проводнике образуется последовательностью импульсов, длитель­ ность которых равна промежутку времени между моментами гене­ рации и рекомбинации носителей. Длительность импульсов, иначе время существования отдельных носителей, статистически распре­ деляется около некоторого среднего значения.

Из формулы для определения этого вида шума в полупроводни­ ках следует, что квадрат эффективного значения тока генерацион­ но-рекомбинационного эффекта пропорционален силе тока / и за­ висит от отношения времени жизни электрона проводимости т к времени дрейфа электрона вдоль электрического поля в объеме полупроводника tn:

всего проявляются на низких частотах. Интенсивность этих флук­ туаций примерно пропорциональна квадрату силы постоянного то­ ка через полупроводник и зависит от величины удельного сопро­ тивления монокристалла,состояния его поверхности, технологии по­ лучения и т. д. Теории этого шума до сих пор не существует, имеет­ ся лишь ряд более или менее правдоподобных гипотез. По одной из них предполагается, что избыточный шум является результатом модуляции проводимости случайными процессами.

Шум дробового эффекта. В полупроводниковых приборах с р-п- переходами следует считаться с шумами этого вида, возникающи­ ми на каждом из переходов в результате флуктуации тока из-за непостоянства числа носителей, проходящих через переход при по­ даче на него прямого или обратного напряжений.

Токораспределение в транзисторе (ток эмиттера распределяется между цепями коллектора и базы) также является источником шу­ ма (подобно шумам токораспределения в вакуумных лампах).

Вполупроводниковых диодах основными видами шумов обычно считают дробовой шум и избыточный шум вида 1//.

Втранзисторах следует учитывать следующие основные виды шумов:

346

— дробовой шум, вносимый коллекторным переходом, U2 = = 2ql^rl Af, где / к о — начальный коллекторный ток; гк — диффе­ ренциальное сопротивление коллекторного перехода;

— шум токораспределения эмиттерного тока между коллекто­ ром и базой: і 2 = 2 ^ а /3(/1—ф), где а — коэффициент передачи то­

ка; ф — коэффициент переноса;

— избыточный шум Щ = AIgf~c, где Л — коэффициент, завися­

щий от типа материала и технологии его получения; /к — ток кол­ лектора; с=0,9-~1,2.

С.учетом перечисленных шумов эквивалентная Т-образная схе­ ма транзистора для схемы включения с общей базой представлена на рис. 7.4.

Коэффициент шума транзистора подсчитывается по ф-ле (7.3). Коэффициент шума биполярных транзисторов на частоте 1000 Гц составляет-5-7-25 дБ. У специальных малошумящих тран­ зисторов коэффициент шума может быть снижен до 3-э5 дБ. У по­ левых транзисторов на высоких частотах уровень шума может сни­ жаться до долей децибела. На низких частотах коэффициент шума резко возрастает й может достигать значений порядка 30-f-60 дБ. Значительно растет шум также и на свч. Лучшие свч транзисторы

имеют коэффициент шума менее б дБ на частоте іі ГГц.

Примерная частотная зависимость шумов транзистора пред­ ставлена на рис. 7.5. Из графика видно, что в полосе частот от О до Д проявляется, главным образом, избыточный шум. В полосе от

Д до f2 коэффициент шума остается практически постоянным и оп­ ределяется в основном тепловыми и дробовыми шумами.

Для ламп точка выхода на дробовые шумы (частота Д) соот­ ветствует частотам 50-7-250 Гц в зависимости от типа лампы. Для транзисторов частота Д порядка 1000 Гц. Частота f2 лежит вблизи частоты fa — транзистора, где его усиление начинает резко падать, а коэффициент шума соответственно растет. Ход зависимости коэф­ фициента шума от частоты индивидуален для каждого типа тран­ зисторов.

347

Коэффициент шума, особенно для избыточных шумов, сильно зависит от технологии производства, поэтому наблюдается боль­ шой разброс значений этого параметра для различных экземпляров транзисторов одного типа.

Некоторого снижения шумов можно добиться путем рациональ­ ного выбора параметров схемы и рабочего режима транзистора.

Коэффициент шума транзисторов растет с увеличением тока эмиттера и незначительно меняется при изменении коллекторного напряжения. Шумы транзистора зависят от внутреннего сопротив­ ления источника сигнала. При некотором оптимальном сопротив­ лении источника сигнала (~ 1 0 4 Ом для. ряда транзисторов) мож­ но получить минимальный коэффициент шума, в то время как у электронных ламп коэффициент шума с ростом внутреннего сопро­ тивления источника сигнала монотонно падает. Для высокоомных источников сигнала коэффициент шума транзисторов во всем зву­ ковом диапазоне частот значительно выше коэффициента шума ламп (примерно на 30 дБ). В этом случае преимущество ламп по шумам бесспорно. При малом сопротивлении источника сигнала на частотах 20 4-50 Гц коэффициент шума транзисторов и ламп бли­ зок по величине.

Эксперимент показывает, что уровень шумов от схемы включе­ ния транзистора практически не зависит.

Шумы полупроводниковых приборов, работающих с основными носителями, имеют меньший уровень, чем шумы приборов, рабо­ тающих с неосновными носителями. Так, в малошумящих полевых транзисторах удается получить коэффициент шума до 0,5 дБ. Од­ на из причин этого явления — уменьшение шума, связанного с рекомбинацией неосновных носителей.

В полевых транзисторах существует три основных вида шумов:

—дробовой, вызываемый током утечки затвора;

—тепловой, генерируемый в проводящем канале;

—шум генерации-рекомбинации в обедненном слое; величина

этого шума обратно пропорциональна частоте.

Дробовой шум полевых транзисторов меньше, чем биполярных, из-за отсутствия эмиттерного дробового шума. Значения напряже­ ния теплового шума и шума генерации в обедненном слое также меньше, чем у биіполяірных -транзисторов. Полные шумы полевых транзисторов, как показывают экспериментальные измерения, зна­ чительно уменьшаются при высоком входном сопротивлении источ­ ника сигнала. В этом случае полевые транзисторы имеют преиму­ щества перед биполярными транзисторами и электронными лампа­ ми. Малые шумы имеют туннельные диоды, работающие с основ­ ными носителями.

Кремниевые полупроводниковые стабилитроны, работающие в режиме лавинного пробоя, при напряжениях на переходе более 7 В могут применяться в качестве генераторов шума. У них при токах от десятков до сотен микроампер в предпробойной области наблюдается шум, интенсивность которого много больше шума в

348