14.2. ИСТОЧНИКИ ШУМА В ОПТИЧЕСКОМ ПРИЕМНИКЕ

При рассмотрении шумов следует очень внимательно относиться к тому, что понимается под этим термином. Шум обусловлен теми случайными флуктуациями тока, которые возникают в любой электронной схеме или ее элементе в силу самой природы электричества и над которыми разработчик схемы не имеет никакого контроля. Эти

Рис. 14.2. Обобщенная шумовая эквивалентная схема активного электронного элемента

флуктуации накладываются на любые сигналы, проходящие через цепь, и, таким образом, маскируют их. Следует различать шумы и радиопомехи, под которыми понимают те нежелательные сигналы, которые попадают в схему от внешних источников или от других частей системы и чье воздействие всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и надлежащей экранировкой элементов, подверженных влиянию помех.

Как уже было показано в гл. 12 и 13, электрический сигнал содержит в себе дробовый шум, поскольку он порождается в результате случайного квантового процесса детектирования оптического сигнала в фотодиоде. В случае фотодиода без умножения средний квадрат флуктуаций тока относительно своего среднего значения будет равен где полоса частот, в пределах которой наблюдаются флуктуации. То обстоятельство, что здесь, как и в других источниках шума, средний квадрат флуктуаций тока растет прямо пропорционально ширине полосы частот делает удобным характеризовать источники шума значением среднего квадрата амплитуды на единицу полосы частот. Обычно эту величину называют спектральной плотностью шума и обозначают знаком (звездочка). Таким образом, как это было показано в § 13.4, спектральная плотность дробового шума -фотодиода

а при использовании ЛФД из-за лавинного умножения

Если спектральная плотность шума не зависит от частоты, как в рассматриваемом случае, говорят, что шум белый.

Всякий рассеивающий энергию элемент системы вносит шум. Таким образом, любое сопротивление в электронной цепи приводит к появлению теплового шума (шума Джонсона), обусловленного случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение носителей заряда можно наблюдать в виде флуктуаций тока в резисторе или соответствующих ему флуктуаций напряжения на его выводах. Средний квадрат спектральной плотности флуктуаций напряжения и тока на резисторе с сопротивлением R

и

где постоянная Больцмана, температура резистора. Вывод приведенных выражений можно найти во многих учебниках, например [14.1-14.3]. Очевидно, что тепловой шум — это белый шум.

Усилительные электронные приборы, такие как транзистор, имеют много источников шума, более сложных по своей природе. Уровень шумов транзистора зависит от его материала и конструкции, а также от характера смещения -перехода. Несмотря на это, шумовые характеристики любого транзистора независимо от специфических условий смещения могут быть представлены в виде, показанном на рис. 14.2. Здесь транзистор представлен в виде нешумящего элемента (он изображен на рисунке в виде нешумящего усилителя), обладающего такой же характеристикой передачи, что и транзистор. Все источники шума представлены в виде генераторов шумового напряжения и генераторов шумового тока подключенных ко входу усилителя.

В полевом транзисторе главным является тепловой шум, обусловленный сопротивлением канала. Это приводит к тому, что выражение становится основной компонентой величины где крутизна входной характеристики транзистора, а постоянная С принимает значение 0,7 для кремниевых полевых транзисторов и 1,1 — Для транзисторов на арсениде галлия. Основной вклад в шумы биполярных плоскостных транзисторов вносит дробовый шум, связанный с токами смещения базы и коллектора соответственно. Первый из них вносит в величину слагаемое а второй в величину слагаемое Здесь (3 — коэффициент усиления транзистора по току. Всегда желательно сделать значение как можно большим, однако имеется оптимальное значение тока смещения, которое зависит также от требуемой полосы пропускания.

Если каждый из источников шума является независимым от других и некоррелирован с ними, то результирующий шум может быть представлен в виде суммы значений средних квадратов каждого из этих источников. В дальнейшем будем предполагать независимость и некоррелированность шумов отдельных источников.