Шумы полупроводниковых приборов

Шум

В радиотехнике термин "шумы" относится к произвольным флуктуациям тока, протекающим через полупроводниковые материалы и приборы и к флуктуациям напряжения на них. Поскольку приборы в основном применяются при использовании слабых сигналов (измерение, усиление, преобразование), то спонтанные флуктуации тока или напряжения ограничивают снизу предел измерения величин или усиливаемых сигналов. Малое изменение сигнала может внести значительные модификации в передаваемую информацию и в конечном счёте привести к её утрате. Важно представлять природу этих шумов и находить способы их уменьшения.

Наблюдаемые шумы обычно подразделяют на тепловой шум, фликкер-шум и дробовой шум.

Тепловой шум возникает в любом проводнике электрического тока и связан с хаотичным движением подвижных носителей заряда, в результате которого на контактах образца появляются флуктуации напряжения. Реактивные цепи не имеют теплового шума. Данный тип шума усиливается с повышением температуры.

Фликкер-шум — электронный шум (мерцательный шум), наблюдаемый практически в любых электронных устройствах; его источниками могут являться неоднородности в проводящей среде, генерация и рекомбинация носителей заряда в транзисторах на поверхностных ловушках и т. п. Обычно упоминается в связи с постоянным током. Шум усиливается с уменьшением частоты сигнала.

Дробовой шум — беспорядочные флуктуации напряжений и токов относительно их среднего значения в цепях радиоэлектронных устройств, обусловленные дискретностью носителей электрического заряда — электронов. Грубо говоря, прибытие каждого электрона сопровождается всплеском тока в цепи.

В отличие от теплового шума, вызванного тепловым движением электронов, дробовой шум не зависит от температуры.

Дробовой шум проявляется, например, в виде акустического шума в динамике радиоприёмника, в виде «снега» на экране телевизора, «травки» на радиолокационном отметчике и т. п.

Дробовой шум — основная составляющая внутренних шумов большинства радиоэлектронных устройств, которые приводят к искажению слабых полезных сигналов и ограничивают чувствительность усилителей.

Термин «дробовой шум» (а также дробовой эффект) возник в связи с тем, что благодаря ему в громкоговорителе, подключённом к выходу усилителя или радиоприёмника, появляется акустический шум, напоминающий шум сыплющихся дробинок.

Принято оценивать состояние шумов отношением полезного сигнала к шумовому.

Отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio, сокр. SNR) — безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

                                                                            (19.1)

где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.

Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.

                                               (19.2)

Другим параметром, характеризующим шумы в приборах и системах является коэффициент шума F - отношение мощности шумов и сигнала на входе к соответствующему отношению на выходе:

                                                 (19.3)

 

Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:

рассогласованные линии передачи сигнала,

тепловой шум в компонентах системы,

недостаточная разрядность АЦП,

резонансные явления,

паразитные связи,

самовозбуждение системы,

нелинейность передаточных характеристик.

 

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители, однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор, который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путем измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100—120 дБ.