Исследование шумовых характеристик

Шумы возникают в различных элементах устройств - в резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Относительно несложен анализ шумов на частотах выше приблизительно 5 кГц, где преобладают шумы дробового эффекта и тепловые шумы, пока на высоких частотах не начинает сказываться уменьшение коэффициента усиления активных элементов. На частотах ниже 5 кГц уровень экспериментально наблюдаемых шумов превосходит уровень тепловых шумов и шумов дробового эффекта и изменяется обратно пропорционально частоте - отсюда их название «Шумы типа 1/f».

Шумы дробового эффекта. В активных элементах устройств протекание тока является процессом переноса отдельных электронов, движущихся как заряженные частицы. Флуктуации тока через элемент связаны с изменениями во времени числа электронов, проходящих через поперечное сечение полупроводникового прибора. Шоттки в 1918 г. показал, что среднеквадратичное значение флуктуаций тока

(1.17)

где e=1.6·10-19 Кл - заряд электрона; I - постоянная составляющая тока через полупроводниковым прибор в амперах; - полоса частот в герцах.

Шумы дробового эффекта характеризуются гауссовским распределением амплитуды, поскольку вызваны очень большим числом независимых составляющих.

Тепловые шумы.

На проводниках возникает переменное напряжение, вызванное беспорядочным тепловым движением свободных электронов в объеме проводника. Согласно Джонсону и Найквисту среднеквадратическое значение напряжения холостого хода на любом проводнике может быть выражено как

(1.18)

где k=1/3805·10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура источника шума в кельвинах; R - сопротивление проводника в Омах; - полоса частот в герцах.

Тепловые шума также описываются гауссовским распределением амплитуды. В отличие от спектра шумов дробового эффекта, спектр этих шумов не зависит от частоты.

Можно показать, что максимальная мощность источника тепловых шумов составляет kT и при комнатной температуре эта величина (в дБм) равна

(1.19)

Низкочастотные (1/f) шумы.Третий часто встречающийся вид с гауссовским распределением амплитуды - низкочастотные шумы, известные также под названием избыточных шумов или шумов фликкер-эффекта. Шумы этого вида связаны с контактными и поверхностными неоднородностями в полупроводниках и вызваны флуктуациями проводимости среды, через которую протекает ток.

Спектральная плотность низкочастотных шумов (в ваттах), может быть описана выражением

P(f)=k/fν

где показатель степени ν изменяется в пределах от 0,8 до 1,5. Впервые шумы этого вида были обнаружены Шоттки в электровакуумных приборах и названы им «фликкер-эффектом», поскольку казались связанными с мерцанием электронной эмиссии катода. Такого же рода шумы наблюдаются в резисторах и конденсаторах. В отличии от шумов дробового эффекта и тепловых, низкочастотные шумы не считаются неустранимыми и могут быть снижены соответствующей технологией обработки поверхности полупроводниковых приборов.

Высокочастотный усилитель можно рассматривать как умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным единице. Таким образом, данное рассмотрение в равной мере применимо как к усилителям, так и к умножителям частоты.

Экспериментально показано, что спектральная плотность фазовых шумов, возникающих в усилителях и умножителях частоты (остаточных шумов), изменяется по закону 1/f на частотах от 1 Гц до 5 кГц и что шумы этого типа являются результатом непосредственной фазовой модуляции высокочастотного колебания, проходящего через устройство, в активных элементах последнего.

Еще статьи по технике и технологиям

Расчет и оптимизация характеристик системы связи
Сообщение непрерывного источника передается цифровым методом по каналу связи. В канале связи используются модуляция и помехоустойчивое (корректирующее) кодирование. Необходимо дать описание процессов в отдельных блоках заданной системы ...

Широкополосное высокочастотное устройство коммутации
Понятие фильтра было введено в 1915г. независимо друг от друга Дж. Кэмбеллом и К. Вагнером в связи с их исследованиями в области линий передачи и колебательных систем. С тех пор теория и технология фильтров непрерывно развивались ...