Основные виды электрических шумов в имс и электронных приборах

 В интегральных микросхемах и электронных приборах основными источниками шумов являются резисторы, контакты, полупроводниковые диоды, биполярные и МДП транзисторы.

 К важнейшим видам электрических шумов

Относятся:

А) Тепловой шум – являются следствием атомизма

вещества и теплового движения носителей тока;

Б) Дробовой шум – обусловлен дискретностью

заряда носителей тока;

В) Генерационно-рекомбинационный шум

(ГР шум) – обусловлен процессами

генерации-рекомбинации носителей заряда

на глубоких ловушечных уровнях;

Г) Взрывной шум или шум в виде случайного

телеграфного сигнала (СТС шум). Наблюдается в

субмикронных элементах ИМС. Иногда обусловлен

дефектами кристалла в области p-nперехода;

Д) Фликкер-шум (шум вида 1/f) – для металлов и

полупроводников обусловлен флуктуациями

проводимости (t) (сопротивления) образца.

Для полупроводников (t) = en(t)(t).

А. Тепловой шум. Обусловлен атомизмом вещества и тепловым движением носителей заряда в равновесной системе.

U_T – шумовой генератор напряжения

 Среднеквадратичное напряжение теплового шума для линейного двухполюсника дает

формула Найквиста: , В²

 СПМ теплового шума: , В²/Гц

 При тепловом движении каждый электрон создает

импульс тока малой длительности   10^-13 с.

 Верхняя граничная частота спектра f_гр  1/2

 Формула Найквиста (13) годится для частот f и

температур Т, для которых h_p f/кТ1,

 Если h_p f/kТ  1, необходима квантовая поправка.

 При анализе ИС необходимо учитывать тепловой шум объемных сопротивлений базы и коллектора в биполярных транзисторах, а в МДП транзисторах – тепловой шум сопротивления канала.

Вывод формулы Найквиста (1928 г.).

Проведем расчет СПМ теплового шума.

1) Рассмотрим RС цепь при подаче напряжения U = U₀ e^it.

 Напряжение U_C на конденсаторе: (1)

 Для квадрата напряжения: (2)

Рис. 1. Электрическая схема для вывода формулы Найквиста.

2) Тепловой шум резистора может быть описан с помощью генератора среднеквадратичной ЭДС U_T (рис.1).

 Для теплового шума на конденсаторе в полосе частот df

имеем: (3)

 Средний квадрат напряжения на конденсаторе :

(4)

 После интегрирования получаем:

(5)

и для СПМ теплового шума имеем:

(6)

Схема на рис. 1 описывается одной степенью свободы – напряжение U_C на конденсаторе. По закону о равномерном распределении энергии по степеням свободы имеем:

(7)

Откуда получаем выражение

(8)

 После подстановки (8) в формулу (6) получим выражение для СПМ теплового шума в случае образца с активным сопротивлением R:

, В²/Гц (9)

а среднеквадратичное напряжение для спонтанных тепловых флуктуаций на зажимах разомкнутого резистора при обычных рабочих температурах дается формулой Найквиста:

, В² (10)

где f - полоса частот, пропускаемая схемой или измерительным прибором, Гц.

 Поскольку = R² ,СПМ шумового тока , протекающего через зажимы короткозамкнутого резистора, дается выражением

, А²/Гц (11)