5.9. Шумы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой систему двух свя­занных р-n-переходов, поэтому для рассмотрения его шумов можно использовать результаты, полученные в § 4.7. В рамках пособия нет возможности изложить этот вопрос полностью, рассмотрение будет ограничено приближенной моделью, справедливой только на сред­них частотах, когда в эквивалентной схеме транзистора можно не считаться с влиянием емкостей и не рассматривать низкочастотные источники шумов (l/f-шум, генерационно-рекомбинационный шум, см. Приложение 1). Кроме того, можно не учитывать влияние высо­кочастотных эффектов на шумы р-n-перехода, полагая последний член в формуле (П1.16) равным нулю.

Источники шумов биполярного транзистора локализованы в трех областях: в эмиттерном и коллекторном переходах и в базе. Рассмотрим их.

Эмиттерный переход.В нормальном активном режиме рабо­ты транзистора переход открыт. Его шумы, как указано в § 4.7, имеют дробовую природу; средний квадрат шумового тока эмит­тера в соответствии с (4.6)

(5.143)

где

Коллекторный переход. В этом переходе протекают три со­ставляющие шумового тока разного происхождения. Главной из них является возникающий в эмиттере дробовый шум, переноси­мый носителями заряда, движущимися из эмиттерного перехода через базу:

(5.144)

где α₀ – коэффициент передачи тока. Естественно, что этот шум кор­релирован с шумом эмиттера.

Второй составляющей шумового тока коллектора является дробовый шум теплового тока I_КБО. Он возникает в результате случайного характера генерации свободных носителей заряда в областях коллектора и базы, примыкающих к переходу:

(5.145)

Наконец, третья составляющая шума в цепи коллектора свя­зана со случайностью перераспределения тока эмиттера между коллектором и базой: это шум токораспределения со спектраль­ной плотностью (П1.13)

(5.146)

Область базы. Поскольку эта область является резистивной с сопротивлением,в ней генерируется тепловой шум. Пред­ставляя ее источником шумового тока (см. рис. П1 ,б), можно в со­ответствии с (П 1.8) и (П 1.1) записать его средний квадрат следу­ющим образом:

(5.147)

Помимо теплового шума в цепи базы существует шум токо­распределения. Этот шум полностью (но с отрицательным зна­ком) коррелирован с шумом токораспраделения в коллекторной цепи, так как случайное перераспределение тока между базой и коллектором автоматически ведет к тому, что мгновенное увели­чение тока базы сопровождается таким же уменьшением тока коллектора.Спектральная плотность среднего квадрата шума токораспределения описывается выражением (5.146), так как при полной корреляции (I²_шК)_Т= (I²_шБ)_Т .

Отметим, что помимо базы тепловые шумы возникают и в кон­тактных областях. Их уровень, как правило, невелик.

Шумовые свойства транзисторных усилителей описываются коэффициентом шума К_ш(см. (П1.18)). Для его расчета использу­ют эквивалентные шумовые схемы, в которых рассматриваются только шумовые источники. В качестве примера рассмотрим та­кую схему, представляю­щую транзисторный уси­лительный каскад с об­щей базой на средних частотах (рис. 5.38).

Сплошными линиями изображена схема само­го транзистора, штрихо­выми – внешние цепи. Здесь r_Э и r_К – дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов; r_Б –сопротивление базы; i_шЭ, i_шК, i_шБ – источники шумовых токов, средние квадраты которых определены формулами (5.143) – (5.147); i_ш1 – шумовой ток, проте­кающий через эмиттерный пере­ход; αi_ш1 – генератор тока, отражающий усилительные свойства транзистора; R_Н – сопротивление внешней нагрузки; r₀ – выходное сопротивление источника сигнала; e_шо – напряжение теплового шума этого сопротивления (e_шо =4kTr₀∆f).

Вычисление K_ш на основе схемы на рис. 5.38 [35] показывает, что его значение экстремально зависит от сопротивления r₀, про­ходя через минимум при r₀ = r_0min При выполнении этого условия, называемого условием шумового согласования,

(5.148)

где f_α – предельная частота в схеме с общей базой

Из (5.148) следует, чтоК_ш уменьшается при уменьшении r₀, увеличении α и f_α. Отметим, что К_ш в схемах с общим эмиттером и общей базой близки по значению.

Изменение коэффициента шума в широком диапазоне час­тот имеет характер, показанный на рис. 5.39. Увеличение К_ш на низких частотах связано с влиянием 1/f-шума. а на высоких – с падением коэффициента передачи и влиянием реактивности выводов,