4.9. ШУМЫ ТРАНЗИСТОРА

Вследствие теплового движения электронов в каждом резисторе возникает напряжение шума, полоса частот которого простирается от низких до высоких частот. Шум называется «белым», если спектральная плотность мощности шума не зависит от частоты. Это условие в первом приближении выполняется для шума резисторов. Для спектральной плотности мощности шума резисторов справедливы соотношения

где к постоянная Больцмана, -абсолютная температура. При комнатной температуре

Поскольку при белом шуме спектральная плотность мощности шума не зависит от частоты, то мощность шума пропорциональна полосе частот:

При согласовании по мощности в нагрузку поступает четверть этой мощности. Исходя из мощности шума, можно рассчитать напряжение шума холостого хода:

Величина шума транзисторов обычно пересчитывается с помощью коэффициента шума в эквивалентную величину внутреннего сопротивления источника напряжения сигнала. При этом сам транзистор предполагается бесшумным. Коэффициент шума показывает, на какое число необходимо умножить мощность шума в резисторе чтобы на выходе бесшумного транзистора получить такую же мощность шума, что и в реальной цепи. Итак, положим, что в возникает мощность

При этом напряжение шума холостого хода на равно

Для входной цепи транзистора получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 4 39. Теперь предположим, что является бесшумным внутренним сопротивлением источника напряжения сигнала

Рис. 4.39. Эквивалентная схема шумов транзистора.

Напряжение на входе транзистора равно

Коэффициент шума часто характеризуют логарифмической величиной При оценке работы схем обычно указывают, при каком коэффициенте напряжение больше, чем Величина представляет собой отношение сигнал/шум. Соответствующая логарифмическая величина называется диапазоном напряжений сигнал/шум и дается в децибелах.

Малые напряжения сигнала не имеет смысла бесконечно усиливать, если одновременно не принимать мер для уменьшения шумов усилителя, так как возникающие шумы могут превысить входной сигнал. При отношении сигнал/шум, равном речь перестает быть разборчивой, при обеспечивается хорошее воспроизведение, а при шум по отношению к сигналу практически неощутим. Расчет требуемого коэффициента шума усилителя поясним на примере. Пусть микрофон имеет внутреннее сопротивление Ом, напряжение холостого хода составляет На выходе усилителя при полосе частот до необходимо обеспечить отношение сигнал/шум, равное

Для напряжения шума холостого хода получим

Отсюда

Из формулы (4.44) получаем

Таким образом, коэффициент шума усилителя не должен превышать

Коэффициент шума транзистора существенно зависит от режима эксплуатации, особенно от диапазона частот. На рис. 4.40 показана зависимость коэффициента шума от частоты [4.2]. В диапазоне ниже этот коэффициент обратно пропорционален частоте. Такой шум называют -шумом.

Коэффициент шума сильно зависит от коллекторного тока и внутреннего сопротивления источника сигнала При определенном коллекторном токе он имеет минимум, который сдвигается при увеличении в сторону уменьшения коллекторного тока. Это иллюстрирует рис. 4.41.

Влияние на напряжение шума видно из рис. 4.41, так как мерой напряжения шума, согласно формуле (4.44), служит произведение При получаем, что поэтому их произведение

Рис. 4.40. Частотная характеристика коэффициента шума.

Рис. 4.41. Типовая зависимость коэффициента шума от коллекторного тока.

имеет конечное значение. Графики зависимости напряжения шума от при различных коллекторных токах приведены на рис. 4.42.

Рис. 4.42. Типовая зависимость напряжения шума от греннего сопротивления источника сигнала при полосе частот 1 Гц.

Из этих графиков видно, что при больших сопротивлениях генератора целесообразно использование малых коллекторных токов, а при малых больших токов.

Таким образом, как было показано выше, коэффициент шума, с одной стороны, зависит от сопротивления источника сигнала а с другой стороны, от коллекторного тока. Для очень малых и очень больших значений удобнее указывать вместо коэффициента шума эквивалентное напряжение шума как это сделано на рис. 4.42. Теоретически доказано, что связаны следующим соотношением [4.3]:

Обе величины и зависят также от коллекторного тока. Если они известны, то можно найти для всех значений . В связи с этим изготовители полупроводниковых изделий все чаще вместо коэффициента шума указывают ток шума и напряжение шума

Теперь можно найти величину напряжения на входе транзистора (рис. 4.39), предполагаемого бесшумным, для общего случая. С учетом формулы (4.45) получим

Поскольку известна явная зависимость от то рассмотрим лишь два граничных случая . При

При

Граничный случай имеет место при Эквивалентная схема, приведенная на рис. 4.43, построена на основе выражения (4.47).

Формулы (4.48) и (4.49) непосредственно определяют метод измерения тока шума и напряжения шума.

Рис. 4.43. Эквивалентная схема суммарного воздействия напряжения шума и тока шума на напряжение

Для схемы, приведенной на рис. 4.44, необходимо определить напряжение шума на выходе транзистора для двух граничных случаев и

Рис. 4.44. Схема для измерения напряжения шума и тока шума.

и полученное значение разделить на коэффициент усиления по напряжению. При этом получим два значения для Из формул (4.48) и (4.49) можно при идэфф определить обе искомые величины: