9.4.3. Коэффициент шума усилителя на туннельном диоде

Когда вычисляется коэффициент шума туннельного диода, необходимо рассматривать два шумовых генератора: генератор напряжения представляющий тепловой шум, обусловленный сопротивлением объемных областей, и генератор тока представляющий дробовой шум в туннельных токах. Эти генераторы показаны на эквивалентной схеме усилителя на

туннельном диоде на рис. 9.5, а. Генератор тока представляет шум, связанный с источником.

Для вычисления коэффициента шума удобно преобразовать Нортону эквивалентную схему туннельного диода, как показано на рис. 9.5, б.

Рис. 9.5. Эквивалентная схема усилителя на туннельном диоде с генераторами шума (а) и эквивалентная схема Нортона (б).

Здесь последовательный генератор напряжения и параллельный генератор тока преобразованы в параллельный генератор тока а полная проводимость —У имеет вид

где частота отсечки туннельного диода, задаваемая формулой (9.12).

Спектральные плотности шумовых генераторов тока и напряжения описываются формулами

и

где шум, связанный только с туннельным током, приближённо принят за чисто дробовой шум. Для. рабочей точки в области отрицательного сопротивления вольт-амперной характеристики

это оправдано, так как приложенное напряжение несколько больше, чем и функция котангенса в выражениях (9.8) и (9.9) очень близка к единице. Проводимость в формуле (9.23а) представляет собой проводимость теплового шума, вивалентную дробовому шуму в туннельном таке. Из формул (9.23) и рис. 9.5 следует, что когда некоррелированны, спектральная плотность генератора така на рис. 9.5, б определяется формулой

Считая, что этот генератор находится при той же температуре, что и туннельный диод, получаем спектральную плотность генератора шумового тока

Теперь из рис. 9.5, б можно просто записать коэффициент шума усилителя в виде

Для низких частот (ниже частоты отсечки) это выражение переходит в выражение

Из выражения (9.266) очевидно, что, для того чтобы коэффициент шума был минимальным, проводимость источника должна быть как можно больше. Мы видели, что в усилителе на туннельном диоде с высоким коэффициентом усиления

хотя равенство в этом выражении исключается, если усилитель должен оставаться устойчивым. Согласно соотношению (9.27), максимальное значение

что приводит выражение для низкочастотного коэффициента шума к виду

Здесь мы использовали тот факт, что в хорошем туннельном диоде При коэффициент шума, вычисленный согласно (9.29), равен 1,2 или Это несколько лучше, чем коэффициенты шума, полученные Пуселом в работе ([23], самый низкий из которых составлял 7 дБ. Однако в приборе, на котором проводились измерения в этой работе, область отрицательного сопротивления была не очень крутой, соответствуя проводимости Если это значение подставить в выражение (9.29), а другие значения параметров оставить прежними, то полученный коэффициент шума будет соответствовать измеренному.

Условие (9.28), дающее минимальный коэффициент шума в выражении (9.29), предполагает асимметрию между проводимостями источника и нагрузки. Как мы видели, это несовместимо с условием максимального усиления, которое требует симметричной нагрузки. Если источник и нагрузка симметричны, то

и коэффициент шума

Мы видим, что в этом случае коэффициент избыточного шума, определяемый как равен удвоенному минимальному коэффициенту избыточного шума. Пусел [23] обнаружил, что коэффициент шума действительно уменьшался по мере того, как проводимости источника и нагрузки постепенно становились все более асимметричными в соответствии с теорией, описанной выше.