Источники шумов электронных приборов

 

 

Источники шумов  электронных приборов

Важным видом аддитивных помех  являются собственные шумы активных и пассивных элементов входных  цепей и усилителей биопотенциалов. Шумовые свойства усилителя зависят  от внутреннего сопротивления источника  сигнала, входного сопротивления и способа построения первых каскадов усиления. Наибольшее влияние на уровень шума оказывают параметры активных элементов.

Внутренние шумы биполярных транзисторов складываются из тепловых шумов омических сопротивлений полупроводника, дробовых шумов токов />-й-переходов и шумов токораспределения. Тепловые шумы в общем случае возникают в области базы, коллектора и эмиттера, однако на практике учитывают только тепловые шумы сопротивления базы. Эквивалентная шумовая схема биполярного транзистора для включения с общим эмиттером представлена на рис. 3.2 [7]. Шумовые свойства транзистора на этой схеме моделируются взаимонезависимыми источниками шумовых ЭДС и токов. Кроме того, необходимо учитывать падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника сигнала, обусловленное протеканием по нему шумового тока базы, и ЭДС тепловых шумов активной части внутреннего сопротивления источника сигнала.

Тепловые шумы базы учитываются  генератором шумовой ЭДС

4б = 4кТгб А/,

(3.1)

где етб - эффективное  значение ЭДС шумов; к - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; гб - омическое (продольное) сопротивление базы; А/ - полоса частот, в которой измеряется шумовое напряжение.

Дробовые шумы обусловлены  случайным характером инжекции носителей  через эмиттерный и коллекторный переходы и образованием новых носителей  в области базы. Как и тепловые шумы, они имеют сплошной равномерный спектр и учитываются включением в эквивалентную схему генераторов шумового тока:

&б = 2дІ б А/ = 2     А/;  

 

4.к = 2дІкА/, 

 

 

 

(3.2) 

 

где гш б, 1ш к - эффективные  значения шумовых токов базы и  коллектора; q - заряд электрона; 1б - постоянный ток базы; 1к - постоянный ток коллектора; в - коэффициент усиления тока базы.

Несмотря на то, что  в реальном усилительном каскаде  шумовое напряжение, обусловленное  всеми источниками шумов, наблюдается  только на его выходе, в эквивалентной  схеме используют источники шумов, включенные на входе (приведенные ко входу). Это позволяет характеризовать шумовые свойства и рассчитывать отношение сигнал-шум независимо от коэффициента усиления делением напряжения сигнала на входе усилителя на суммарное напряжение шумов, приведенных ко входу. Поэтому целесообразно на эквивалентной шумовой схеме транзистора перенести источник дробового шума тока коллектора в цепь базы, заменив его источником дополнительной шумовой ЭДС еш б и выразив ее через крутизну транзистора 5 = д1к/кТ :

(3.3)

Суммарная ЭДС собственных  шумов транзистора, приведенных  ко входу, определится соотношением

=[е?.б+4 .б ] =<

4кТ

кТ 2д1 к 

 

А/. 

 

(3.4)

Эквивалентная шумовая  схема транзистора, учитывающая  все источники шумов, приведенные  ко входу, представлена на рис. 3.3, где  еш г - эффективное значение ЭДС тепловых шумов внутреннего сопротивления  источника сигнала Ят:

4.г = 4кТЯгА/.

Как следует из соотношений (3.1)-(3.4), шумы усилительного каскада  на биполярном транзисторе определяются параметрами транзистора, температурой окружающей среды и режимом работы по постоянному току.

г

б

е

-О-

(Р+1)г

е

Ш.1

ш.б

п 

 

е 

 

Рис. 3.3. Эквивалентная шумовая схема  транзистора с приведенными ко входу  источниками шумов

Важной особенностью транзисторов является возрастание уровня шумов  на низких частотах. Низкочастотный избыточный шум (шум мерцания, фликкер-шум, шум  типа 1//) связан с процессами генерации-рекомбинации свободных носителей заряда в полупроводнике. Флюктуации процесса рекомбинации дырок и электронов описываются механизмом захвата ловушками, которые обусловлены дефектами кристалла в объеме и на поверхности. Строгая теория избыточных шумов, которая позволяла бы определять их уровень по заданному режиму транзистора и малосигнальным параметрам, недостаточно разработана. Поэтому для оценки уровня шумов используют эмпирические соотношения [7, 8]. Квадрат эффективного значения тока избыточных шумов

/2 .и = Л/~тА/,

где А - постоянная; / - текущая частота. Показатель степени т принимает  значения в пределах 0,9-1,5. Множитель  А имеет две составляющие, одна из которых определяется процессами в области коллектора, другая - в области базы. Поэтому первая составляющая является функцией коллекторного напряжения, а вторая зависит от уровня инжек-ции, т. е. от величины эмиттерного тока [7]. Избыточные шумы быстро спадают с ростом частоты. Частота, на которой уровень спектральной плотности избыточных шумов становится равным уровню белого шума, называется частотой среза избыточного шума /и. Значение /и обычно лежит в пределах 0,1-1,0 кГц. Абсолютные значения спектральной плотности избыточных шумов для биполярных транзисторов таковы, что в области частот ниже /и можно пренебречь всеми составляющими, кроме избыточных шумов [7].

В силу особенностей в физике работы полевые транзисторы по сравнению  с биполярными обладают рядом  преимуществ. Перенос заряда в них  осуществляется основными носителями, поэтому в полевых транзисторах меньше роль рекомбинационных процессов. Вследствие этого возникает возможность работы при сверхнизких температурах, при этом улучшаются шумовые свойства транзисторов.

В полевых транзисторах с ^-«-переходом  различают диффузионный шум канала, тепловые шумы неуправляемых сопротивлений канала возле истока и стока, дробовой шум затвора, шумы типа 1// в цепи канала и затвора. Для диффузионного шума канала может быть получено эмпирическое соотношение, связывающее значение шумового тока эквивалентного генератора с крутизной проходной характеристики 5^:

4 .диф = а 4кТ8§А/,

где коэффициент а  зависит от напряжения отсечки, длины  канала и абсолютной температуры. При  комнатной температуре приближенно  можно считать а =0,75, что соответствует  тепловому шуму канала. Тепловыми  шумами неуправляемых сопротивлений  канала обычно можно пренебречь по сравнению с диффузионным шумом. Это же относится к дробовому шуму затвора, который проявляется при низких температурах [7].

Эффективное значение приведенной  ко входу ЭДС шумов определяется выражением

(3.5)

где Кт - внутреннее сопротивление  источника сигнала; Бё - крутизна транзистора. Таким образом, наименее шумящими являются полевые транзисторы с высокой крутизной.

Избыточные шумы полевых  транзисторов не имеют строгой физической интерпретации, но, как и в биполярных транзисторах, связаны с несовершенством  кристаллической структуры полупроводника. Исследования «-канальных транзисторов показывают, что эффективное значение шумового тока может быть описано соотношением

■ 2

= з

ш.и

/

где с - постоянная; 1з - ток  затвора при обратном смещении на р-п-переходе; а = 1,6; у лежит в пределах 1,2-1,5.

При нормальной температуре  избыточные шумы полевых транзисторов с /^-«-переходом являются преобладающими на низких частотах и уменьшаются с ростом частоты.

Анализ соотношений (3.1)-(3.5) показывает, что приведенный ко входу  уровень шумового напряжения, определяемый всеми эквивалентными генераторами шума транзисторных каскадов, существенно зависит от токов коллектора или стока и величины внутреннего сопротивления источника сигнала. Поэтому как для биполярных, так и для полевых транзисторов при выбранном (заданном) рабочем токе существует оптимальное значение внутреннего сопротивления источника, минимизирующее уровень шумов. Чаще возникает ситуация, когда при заданном внутреннем сопротивлении источника сигнала оптимизируется ток коллектора или стока в рабочей точке транзистора.

При анализе шумовых  свойств интегральных операционных усилителей также находит применение методика, основанная на описании источников шума эквивалентными генераторами шумового тока и ЭДС, включенных на входе ОУ. Эквивалентная шумовая схема операционного усилителя представлена на рис. 3.4. Квадрат эффективного значения приведенного ко входу шумового напряжения

и4вх = 4 + /пА2+4ктгА/, (3.6)

где еш, 1ш - соответственно эффективные значения шумовой ЭДС и шумового тока эквивалентных генераторов в заданной полосе частот, а последнее слагаемое учитывает тепловые шумы внутреннего сопротивления источника сигнала Яг в той же полосе А/

Шумовые характеристики интегральных ОУ приводятся в технических условиях далеко не для всех типов микросхем. Поэтому соотношение (3.6) может быть использовано при экспериментальном исследовании шумов ОУ. Для определения эффективного значения ЭДС шумов ОУ, приведенных ко входу, достаточно произвести измерение выходного шумового напряжения ОУ в заданной полосе частот при Яг =0. Эффективное значение шумового тока гш можно определить, измерив выходное шумовое напряжение при большом значении Яг (100 кОм и более) в той же полосе частот.

Низкочастотный шум типа 1// преобладает  у всех ОУ в области частот до 1 кГц. Это связано с тем, что  основная доля низкочастотных шумов  определяется процессами генерации-рекомбинации, обусловленными поверхностными и объемными  дефектами кристаллов. Экспериментальные исследования показывают [8], что усилители с минимальным значением еш имеют наибольший уровень шумового тока, и наоборот. Такую зависимость между шумовыми напряжениями и токами можно связать с параметрами и структурой их входных каскадов. Снижение входных токов ОУ достигается, как правило, за счет усложнения входных каскадов. Это приводит к появлению дополнительных источников шума, которые увеличивают приведенное ко входу шумовое напряжение ОУ. Шумовым током ОУ с полевыми транзисторами на входе обычно можно пренебречь, поскольку тепловые шумы внутреннего сопротивления источника сигнала на порядок превышают составляющую входного шума, обусловленную шумовым током. Шумовые характеристики ОУ практически не зависят от напряжения источников питания.

Усилители на биполярных транзисторах имеют лучшие шумовые характеристики, чем ОУ с полевыми транзисторами на входе при работе от низкоомных источников сигнала (Яг менее 100 кОм), причем наименьшее значение приведенного ко входу шумового напряжения наблюдается у наиболее простых по структуре усилителей. Дополнительная обработка кристалла, например пассивация нитридом кремния для стабилизации поверхности, значительно снижает низкочастотную составляющую шума и уменьшает частоту среза избыточного шума до единиц герц [8].

При съеме и регистрации биопотенциалов в качестве источника полезного  сигнала выступает отведение. В  связи со сложной структурой последнего и спецификой взаимодействия электродов с биообъектом отведение можно  рассматривать как источник шумовых  помех. Кроме тепловых шумов, интенсивность которых пропорциональна активному сопротивлению электродов и абсолютной температуре, в отведении возникают шумовые процессы, обусловленные другими причинами. Шумы движения возникают при взаимном перемещении поверхностных электродов и кожи или органа, на который они накладываются. Частичное снижение этих шумов достигается применением электродных паст и рассмотренными выше методами фиксации электродов. Шероховатость поверхности и зернистость структуры металлических электродов обуславливают интенсификацию локальных электрохимических процессов, активно протекающих на вершинах микрорельефа и гранях кристаллов. Следствием этих процессов являются электрохимические шумы. Их снижение достигается улучшением однородности и качества обработки поверхности электродов. С этой целью используется электролитическое осаждение на поверхности электрода слоя металла, а также искусственное старение поверхности новых электродов. Для этого их помещают в физиологический раствор, соединяют между собой, а раствор подвергают циклическому нагреву и охлаждению.