10.5. Шум в пролетных усилителях

10.5.1. Усилители на ЛПД

Усиление в диапазоне СВЧ можно получить, используя ЛПД, включенный в резонансную структуру, которая связана с помощью передающей линии и циркулятора с входным и выходным передающими трактами. На резонансной частоте диод имеет отрицательное сопротивление и, следовательно, коэффициент отражения от резонатора больше единицы. Таким образом, волна, отраженная от резонатора, имеет большую амплитуду, чем подводимая к нему; поэтому прибор работает как усилитель.

Рис. 10.11. Схема для анализа шума лавинного тока во внешнем контуре отражательного усилителя на ЛПД.

Источниками шума в такой схеме являются тепловой шум во входной цепи, тепловой шум в объемном сопротивлении диода и шум умножения в лавинном токе. Среди этих трех источников шума преобладает последний. Теория малого сигнала для шума лавинного тока, в усилителях на ЛПД, предложенная Хайнсом [26], применима на высоких и низжих частотах. В этой теории коэффициенты ионизации дырок и электронов предполагаются одинаковыми. Это жесткое ограничение ослабили Гуммель и Блу [19], которые исследовали ту же проблему, что и Хайнс, но применили более общий подход. Как они подчеркивают, такой подход необходим при исследовании материалов, например кремния, в которых коэффициенты ионизации дырок и электронов отличаются на порядок. Теоретические выводы Хайнса подтвердили Хейтц и Вольтмер [22], измерив характеристики шума в кольцевых ЛПД с перемещающейся микро-плазменной областью.

Хайнс исследовал поведение лавинного шума усилителя на ЛПД с помощью эквивалентной схемы, показанной на рис. 10.11. В контуре, внешнем по отношению к диоду, настроечная катушка и сопротивление нагрузки. Шумовой ток протекающий во внешнем контуре, является суммой, трех составляющих. Одна из них — ток проводимости носителей который является фиктивным шумовым током в том смысле, что он протекал бы, если можно было поддерживать электрическое поле в лавинной области на критическом уровне, необходимом для получения устойчивой лавины.,

Рис. 10.12. Вычисленная спектральная плотность шумового тока во внешнем контуре отражательного усилителя на ЛПД, нормированная к спектральной плотности дробового шума

В действительности носители заряда в лавине с высокой плотностью тока будут наводить поле переменного тока в лавинной зоне. Этим полем обусловлена составляющая шумового тока коррелированная с По принципу линейной суперпозиции, полный шумовой ток лавинной проводимости равен

Таким образом, вторая из трех составляющих, вносящих вклад в шумовой ток во внешнем контуре. Третья составляющая — ток смещения в лавинной зоне.

Выражение, выведенное Хайнсом для спектральной плотности тока является сложным и содержит несколько параметров, в том числе лавинную угловую частоту лавинный ток полный импеданс схемы, показанной на рис. 10.11, и производную коэффициента ионизации по величине поля. На частотах ниже лавинной частоты шум имеет «белый» спектр, интенсивность которого обратно пропорциональна постоянной составляющей тока лавины . С физической точки зрения эту обратную зависимость можно интерпретировать как результат уменьшения импеданса лавины

при увеличении тока. На частотах выше лавинной частоты спектральная плотность шума резко понижается с уменьшением частоты, изменяясь приблизительно как На частотной зависимости спектральной плотности в этой области имеется характерная структура, определяемая шириной области дрейфа; спектральная плотность шума пропорциональна На лавинной частоте, изменяющейся как корень квадратный из спектральная плотность шумового тока при достаточно большом может иметь пик. Типичные кривые спектральной плотности как функции от частоты, иллюстрирующие особенности, описанные выше, показаны на рис. 10.12.

Хайнс показал, что коэффициент шума ЛПД определяется выражением

где -спектральная плотность шумового тока коэффициент усиления усилителя и 0 — абсолютная температура. При значениях параметров, соответствующих частоте коэффициент шума, вычисленный по выражению (10.17), равен Кавас [33] измерил коэффициент шума ЛПД, изготовленных из кремния, германия и GaAs, на частоте Он получил, что коэффициент шума в кремнии составляет (что несколько ниже теоретического значения), а в диодах на коэффициенты шума составляли соответственно. Результат для в пределах ошибки эксперимента совпадает с полученным в работе [48] для диода на для сантиметровых волн (8—10 ГГц). На миллиметровых волнах (25—40 ГГц) коэффициент шума был получен на GaAs-диоде, используемом в качестве активного элемента с отрицательным сопротивлением в усилителе отражательного типа [60]. На частотах около были достигнуты минимальные коэффициенты шума соответственно для ЛПД на [42]. Вообще говоря, приборы на основе GaAs имеют лучшие шумовые характеристики и возможность достижения более высокой мощности, чем на основе или