Артёмов К.С. Твердотельная электроника

искусственный прием. Подадим на коллектор относительно базы напряжение

Это тоже система гибридных параметров. Самостоятельно определите G-параметры и эквивалентную схему четырехполюсника.

Следует отметить, что для биполярных транзисторов наиболее точной является система h-параметров, так как эти транзисторы имеют сравнительно малое входное сопротивление и поэтому трудно осуществить режим короткого замыкания на входе и легко режим холостого хода. Выходное сопротивление, наоборот, велико. Поэтому трудно осуществить режим холостого хода и легко – режим короткого замыкания. По традиции, перешедшей от вакуумных триодов, на практике используют также систему

56

y-параметров. Системы z и G-параметров для биполярных транзисторов не применяют.

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 eR2 4KTR f , где K – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, R – сопротивление, f – полоса

частот, в которой рассматривается шум. Очевидно, что мощность теплового шума PшR 4KT f .

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

кшумам белого спектра.

2.Дробовой шум обусловлен дискретной природой электричества и проявляется как флуктуации токов через электронно-дырочные переходы.

Описывается формулой Шоттки: i 2 2qI f , где q – заряд электрона, I –

постоянный ток через переход, f – полоса частот, в которой

рассматривается шум. На схемах изображается в виде генератора тока i 2 . 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

57

существует две области, являющиеся источниками избыточных шумов. Вопервых, 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 in2э AЭ (I Э ) f / f , где А – коэффициент, зависящий от тока эмиттера, f – полоса рассматриваемых частот. AЭ IЭ 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

Эквивалентная схема транзистора в области шумов белого спектра,

сигнала, iб2 и iК2 – 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:

транзисторов показана на рис. 8.4. Реальная кривая не имеет резких изломов, а наклоны участков верхних и нижних частот могут быть другими. f н и fв –

граничные частоты белого шума. В области белого шума коэффициент шума через параметры транзистора выражается следующим образом:

58

Область от f н до частоты, на которой полностью преобладает шум типа 1/f, большая. Например, для транзистора КТ312 f н =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 FШ удваивается (увеличивается на 3 дБ по сравнению с

величиной FШ б ), называется частотой удвоения: f у f / 0 . 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 rэ ), от напряжения на

коллекторе (шумы утечки). С уменьшением тока и напряжения FШ уменьшается. Величину RГ , при которой коэффициент шума минимален, можно определить по формуле:

Минимум FШ RГ некритичен к отклонению RГ от RГ опт : при изменении сопротивления генератора в 2 – 3 раза FШ меняется на 20-30 %. Типовое

значение равно 0,3 – 1 кОм.

Транзисторы, имеющие FШ 5...6 , 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 RГ опт . Вычисляют FШ б при RГ RГ опт . Сравнивают его с заданным по

техническому заданию, и если он меньше, то необходимо еще вычислить частоту удвоения при RГ RГ опт . Если f у f , 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.

59

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 U К 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 I К 0 имеют и

малые значения FШ .

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 0 при токах менее 1 мА.

Поэтому при конструировании малошумящих каскадов предпочтение отдается обеспечению малого коэффициента шума.

С другой стороны, схема, оптимальная по RГ 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.

60

Ge

Рис. 2.3. Образование свободных носителей заряда в электронном (а) и дырочном (б) полупроводниках

W (энергия)

Рис. 2.4. Энергетический спектр изолированного атома (а) и кристалла (б)

63

а) б)

Рис. 2.5. Зонная структура полупроводника (а) и генерация свободных носителей (б)

III

Рис. 2.6. Зависимость концентрации свободных носителей (а) и электропроводности (б) от температуры

64