15.5. Природа шумов
Шумы представляют собой сигнал переменного тока, генерируемый случайным движением свободных электрических зарядов. Шумы наблюдаются в резисторах, полупроводниках, электронных вакуумных приборах и других электрорадиоэлементах. Наиболее распространенными считаются три типа шумов: тепловой, шум, обусловленный дробовым эффектом, фликкер-шум.
15.5.1. Тепловой шум
Тепловой шум, обусловленный случайным движением зарядов под влиянием тепловой энергии, получаемой из окружающей среды, был впервые исследован Найквистом в 1928 г. Им было показано, что дисперсия ЭДС эквивалентного шумового определяется выражением
(15.8)
где
k
= 1,38
10-23
Дж/К
–
постоянная Больцмана; R
– сопротивление цепи, Ом; T
– абсолютная температура сопротивления;
Δfэf
- эффективная шумовая полоса.
В соответствии с выражением резистор можно представить в виде последовательной цепи, состоящей из идеализированного нешумящего сопротивления R и эквивалентного генератора шума с ЭДС, определяемой формулой Найквиста. Соответственно, дисперсия эквивалентного генератора шумового тока имеет вид
(15.9)
На
эквивалентной схеме генератор
шумового тока должен включаться
параллельно идеализированному нешумящему
сопротивлению R.
Мощность
теплового шума, которая отдается в
нагрузку
или
(15.10)
Согласно (16.10) мощность, отдаваемая в нагрузку, зависит только от температуры и шумовой полосы.
15.5.2. Дробовый шум
Шум, обусловленный дробовым эффектом, был обнаружен Шоттки в 1918 г. при исследовании термоэлектронной эмиссии в вакуумных приборах. Ток электронной эмиссии в лампе обусловлен потоком электронов и носит дискретный характер. Число электронов, достигающих анода за единицу времени носит случайный характер и подчиняется законам статистики. Дисперсия шумового тока
(15.11)
где q = 1,6∙10-19 Кл – заряд электрона; I – значение постоянной составляющей тока; Δf – эффективная шумовая полоса.
До появления транзисторов использовались электронные усилительные лампы, в которых дробовые шумы были преобладающими. В вакуумном диоде, работающем в режиме насыщения, уровень дробовых шумов, измеренный в определенной эффективной полосе частот, является одним из способов определения заряда электрона. Полученный результат оказывается близок к значению заряда, измеренному другими методами.
Спектральная плотность теплового и дробового шума оказывается достаточно постоянной в широком частотном диапазоне.
15.5.3. Фликкер-шум
Фликкер-шум, или шум мерцания, имеет спектральную плотность мощности вида 1/f, обратно пропорциональную частоте (рис.15.6). Поэтому его иногда называют низкочастотным шумом. Причиной фликкер-шума в вакуумных приборах считают медленное разрушение оксидного слоя катода, диффузию атомов из глубины катода к поверхности и другие структурные изменения поверхности катода. Это приводит к избыточным шумам при усилении медленно изменяющихся сигналов в полосе частот от 10-4 до 102 Гц, иногда называемым «дрейфом нуля». С увеличением частоты уровень фликкер-шума снижается и преобладающим становится тепловой шум.
Рис. 15.6. Зависимость спектральной плотности мощности шумов от частоты
В полупроводниковых приборах первоисточниками шумов вида 1/f являются медленные изменения состояния вблизи поверхности раздела полупроводника и защитных слоев в окисной пленке кристалла и на ее поверхности. Шумы обусловлены флуктуациями плотности поверхностных состояний, изменениями пространственного заряда в обедненной области вблизи поверхности, влияющими на изменение потенциального барьера в p-n переходе.
Интенсивность фликкер-шума может быть связана с различными объемными неоднородностями внутри кристалла, например, примесями, микротрещинами, дислокациями, которые могут являться центрами захвата носителей заряда. При прямом смещении p-n перехода источником низкочастотного шума становятся процессы генерации-рекомбинации в объеме кристалла. По результатам исследований оказалось, что спектральная плотность мощности низкочастотных шумов пропорциональна 1/f γ, где γ – коэффициент, характеризующий вид спектра. Коэффициент γ для интегральных микросхем может принимать значения от 0,9 до 1,6.