ЛЕКЦИЯ 10. ИСТОЧНИКИ ШУМОВ В БТ. МОДЕЛИ БТ

П л а н л е к ц и и

10.1. Источники собственных шумов в БТ.

10.2. Модели биполярных транзисторов. Малосигнальные высокочастотные эквивалентные схемы БТ (П- и Т-образные). Модель Эберса – Молла. Понятие о нелинейных моделях БТ для высоких и сверхвысоких частот.

10.1. ИсточникисобственныхшумоввБТ.

При большом коэффициенте усиления в телефоне или громкоговорителе, включенном на выходе усилителя или приемника, слышен характерный шум в виде шоро ха (шипения) даже в том случае, если на вход никакие сигналы не подаются (например, если замкнуть накоротко входные зажимы, чтобы приема внешних сигналов не было). Чем больше коэффициент усиления, тем сильнее собственный шум приемника.

Исследование этого явления показало, что токи и напряжения в любых электрических цепях всегда совершают небольшие беспорядочные (хаотичные) колебания, называемые электрическими флюктуациями. Они объясняются тепловым движением электронов. С повышением температуры флюктуации усиливаются.

Токи всех электродов транзистора подвержены флюктуациям. После усиления эти флюктуации при звуковом воспроизведении сигналов проявляются в виде шума. Название «собственные шумы» применяют и

представляет собой сумму переменных синусоидальных составляющих с

ЛЕКЦИЯ 10. ИСТОЧНКИ ШУМОВ В БТ. МОДЕЛИ БТ.

10.1. Источники собственных шумов в БТ.

самыми различными частотами от нуля до сверхвысоких. Но любой усилитель (или другое устройство) пропускает колебания только в определенном диапазоне частот. Поэтому на выходе усилителя воспроизводится лишь часть составляющих шума, которая тем больше, чем шире полоса пропускания f усилителя.

Собственные шумы транзисторов ограничивают чувствительность радиоприемников и других устройств, служащих для обнаружения, усиления и измерения слабых сигналов. Если полезные сигналы слабее собственных шумов, то прием этих сигналов весьма затрудняется или даже практически невозможен.

В любом резисторе за счет происходящих в нем электрических флюктуаций создастся некоторая шумовая ЭДС. Действующее значение шумовой ЭДС Еш, возникающей в резисторе или в любой цепи с сопротивлением R, определяется формулой Найквиста:

где k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура.

Полный шум, возникающий в транзисторе, имеет несколько составляющих.

Тепловые шумы обусловлены тепловыми флюктуациями электронов, характерными для любого резистора. Поскольку все области транзистора обладают некоторым сопротивлением, то в них возникают шумовые напряжения. Так как сопротивления эмиттерной и коллекторной областей сравнительно малы, то главную роль в создании тепловых шумов играет сопротивление базы Rб, тем более что оно включено во входную цепь и шум от него усиливается самим транзистором.

Дробовые шумы происходят от флюктуаций, возникающих вследствие инжекции и экстракции в эмиттерном и коллекторном переходе.

Шумы токораспределения вызваны флюктуациями распределения эмиттерного тока между базой и коллектором.

Рекомбинационные шумы имеют своей причиной флюктуации, возникающие вследствие рекомбинации.

Кроме того, дополнительные шумы создаются за счет флюктуаций токов утечки в поверхностных слоях полупроводников и некоторых других явлений. Эти шумы часто называют мерцательными или избыточными

(фликкер-шум).

Мощность шумов тем больше, чем шире полоса частот, в пределах которой проявляется их действие.

Для оценки шумовых свойств транзисторов служит коэффициент шума Fш. Он определяется так же, как и для любых четырехполюсников.

Влияние шумов всегда характеризуется отношением мощности полезного сигнала Рс к мощности шумов Рш. На выходе это отношение меньше, чем на входе, так как на выходе обе мощности усилены в Кp раз, но к

ЛЕКЦИЯ 10. ИСТОЧНКИ ШУМОВ В БТ. МОДЕЛИ БТ.

10.1. Источники собственных шумов в БТ.

мощности шумов транзистор добавляет еще собственный шум Рш.тр. Коэффициент шума показывает, во сколько раз отношение мощности сигнала к мощности шума на входе больше, чем на выходе:

из которой следует, что при значениях Fш, равных 10, 100 и 1000, значение F соответственно равно 10, 20 и 30 дБ.

Современные транзисторы имеют F примерно от 3 до 30 дБ (в среднем 10–20 дБ). Значение коэффициента шума транзисторов указывается обычно для частоты 1 кГц и температуры 20 ºС. Шумы транзистора зависят от его параметров и режима работы, а также от внутреннего сопротивления источника усиливаемых колебаний (источника сигнала) Rик. Чем меньше у транзистора α, тем больше шумы. Это объясняется тем, что уменьшение α сопровождается возрастанием тока базы, и он будет создавать на сопротивлении Rб большее шумовое напряжение, которое усиливается транзистором. Кроме того, чем меньше α, тем интенсивнее рекомбинация в базе, а она также является причиной шумов.

С увеличением сопротивления Rб и начального тока коллектора Iко шумы возрастают. Материал полупроводников также влияет на уровень шумов. Например, кремниевые транзисторы «шумят» сильнее германиевых.

ЛЕКЦИЯ 10. ИСТОЧНКИ ШУМОВ В БТ. МОДЕЛИ БТ.

10.1. Источники собственных шумов в БТ.

средних частот F имеет минимальное и примерно постоянное значение. Нижняя частота f1 этого диапазона составляет единицы килогерц. На частотах ниже f1 увеличиваются мерцательные шумы и за счет этого F возрастает. Увеличение F на частотах выше f2 происходит вследствие снижения α. Частота f2 может составлять сотни килогерц и больше. Она тем

выше, чем выше fα и приблизительно в β раз меньше ее.

С учетом указанных выше зависимостей изготовляют специальные малошумящие транзисторы, предназначенные для первых каскадов усилителей и радиоприемников. Чтобы шумы были минимальными, такие транзисторы используют при пониженных Uкб и Iэ и температура у них должна быть низкой. Эти транзисторы имеют высокие значения α и fα , но

малые Rб и Iк0.

По сравнению с электронными лампами хорошие транзисторы «шумят» в области средних частот слабее, а на более низких и высоких частотах – сильнее.

10.2. Моделибиполярныхтранзисторов. Малосигнальные высокочастотныеэквивалентныесхемыБТ(П- иТ-образные). Модель Эберса– Молла. ПонятиеонелинейныхмоделяхБТдлявысокихи сверхвысокихчастот.

На рис. 10.3 показана эквивалентная схема (схема замещения) биполярного транзистора для схемы включения с общим эмиттером. Приведенная модель является малосигнальной эквивалентной схемой биполярного транзистора для области низких частот. Усилительные свойства транзистора здесь отражены генератором тока βImб.

Указанная эквивалентная схема пригодна только для анализа работы

Анализ работы указанных схем не представляет затруднений и ведется на основе соотношений, применяемых при анализе линейных электрических цепей.

ЛЕКЦИЯ 10. ИСТОЧНКИ ШУМОВ В БТ. МОДЕЛИ БТ.

10.2. М-ли бип-ых транз-ов. Малос-ые высокоч. экв. сх. БТ (П- и Т-об.). М-ль Эберса – Молла. П-иео нелин. М-ях БТ для выс. и сверхв. ч-т.

Современные САПР (PSPICE, MICROCAP, OrCAD, DesignLab) как правило, имеют встроенные модели нелинейных компонентов, в т. ч. биполярных транзисторов, которые позволяют моделировать поведение схемы в широком диапазоне изменения токов и напряжений как постоянных, так и переменных, составляющих сигналов. Этот класс моделей называется

динамическими моделями большого сигнала.

Нелинейная модель биполярного транзистора, предложенная Эберсом и Моллом в 1954 г., получила название модели Эберса – Молла (рис. 10.6). Токи диодов определяются выражениями, получившими названия уравнений Эберса – Молла:

Динамическая модель Эберса – Молла дополнительно включает в свой состав емкости эмиттерного и коллекторного переходов (рис. 10.7).