Шумы резисторов

Шумы резисторов подразделяются на тепловые и фликкер-шумы (1/f-шумы). Тепловые шумы - это флуктуационное напряжение на зажи­мах любого проводника, возникающее из-за хаотического теплового движения электронов. Тепловые шумы комплексного сопротивления Z = R+jX в узкой полосе частот f, в пределах которой сопротивление R постоянно, определяется формулой Найквиста.

г де k = 1,38*10²³ Дж/К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, Е_ШТ - среднеквадратичное значение шумовой ЭДС. Спект­ральная плотность тепловых шумов G_ШТ = (Е_ШТ)²/f не зависит от час­тоты вплоть до очень высоких (инфракрасных) частот, поэтому этот вид шумов относят к белый шумам.

Непроволочные резисторы (например, типа ВС, МЛТ, УЛМ и др.) кроме тепловых обладают еще и фликкер - шумами, интенсивность кото­рых растет с ростом тока, протекающего через резистор:

где I – ток через сопротивление R, m ≈ l в интервале от долей Гц до нескольких МГц, k ≈ 2 для линейных непроволочных резисторов (обычно применяемых в радиосхемах), n несколько больше двух, А - коэффици­ент пропорциональности, определяется экспериментально и зависит от материала, технологии изготовления и мощности резистора. В облас­ти низких частот при токе, соответствующем допустимой рассеиваемой на резисторе мощности, фликкер - шумы могут превышать напряжение тепловых шумов на 2...3 порядка. Эквивалентная шумовая схема неп­роволочного резистора приведена на рис.2.12, где Е²_шR=Е²_ШГ +Е²_шф, поскольку тепловые и фликкер - шумы не коррелированы.

В переменных резисторах кроме тепловых и фликкер - шумов возникают дополнительные шумы за счет несо­вершенства подвижного контакта. Эти шумы проявляются не только при движении (вращении) ползнака, но и при фиксированном его положении. Причем шумы контакта значительно превосходят шумы резистивного слоя как проволочных, так и непроволочных переменных резисторов.

Таким образом, при проектировании малошумящей низкочастотной аппаратуры необходимо во входных цепях использовать по возможности низкоомные постоянные проволочные резисторы, которые обладают только тепловыми шумами.

Шумы усилительных элементов (уэ)

Шумы УЭ имеют несколько составляющих, которые обусловлены как физикой происходящих в УЭ процессов, так и его конструкцией и тех­нологией изготовления. Важнейшими из них являются: тепловые шумы (для БТ ), дробовые шумы, шумы перераспределения тока между элект­родами, фликкер-шумы, связанные с поверхностными явлениями в об­ласти переходов.

Для количественной оценки уровня шумов УЭ часто используют ко­эффициент шума F_ш - отношение полной мощности шумов (от всех воз­можных источников шума) на выходе УЭ P_2шс к той ее части, которая обусловлена тепловым шумом источника сигнала:

З десь P_2m1 = K²_e4kTR₁f/R₂ - тепловые шумы источника сигнала, пе­ресчитанные на выход. Коэффициент шума нередко выражают в децибе­лах

Для идеального (нешумящего) УЭ Р_2шс = Р2_ш1 F_ш=1 и N_ш = 0 дБ.

Для снижения уровня шума и повышения отношения сигнал-шум не­обходимо во входном каскаде усилителя использовать малошумящие УЭ.

Например, кремниевые ПТ с управляемым р-n переходом на частоте 1 кГц имеют коэффициент шума от 0.3 до 0.5 дБ, у БТ (даже малошу­мящих, типа КТ371 или КТ382) коэффициент шума значительно выше (2 ÷ 3 дБ).

В справочниках приводится значение коэффициента шума для ком­натной температуры (25 °С), определенного значения R_r (600 Ом для БТ и 1 МОм для ПТ). для конкретного, режима по постоянному току на частотах от 1 кГц до сотен мегагерц. Для получения малого коэффи­циента шума необходимо, чтобы напряжение питания не превышало не­скольких вольт, а ток в рабочей точке составлял 1+3 мА, a R_г = R_г.опт.

В связи с тем, что коэффициент шума представляет собой меру сравнения шума УЭ с тепловым шу­мом некоторого (по существу, произ­вольного) сопротивления, он сильно зависит от величины этого со­противления (от сопротивле­ния источника сигнала), что является су­щественным недостатком этого параметра. Этот недостаток не позво­ляет непосредственно использовать приводимую в справочниках ве­личину коэффици­ента шума, измеренную для стандартизированного R_г, при расчете усилителей, у которых реальная величина R_г отличается от спра­вочной. Пренебрежение этим обстоятельством может привести к значительной ошибке при оценке чувствительности усилителя. Поэтому наряду с коэффициентом шума для оценки шумовых свойств УЭ исполь­зуют параметры его формальной шумовой эквивалентной схемы. В этом случае реальный УЭ заменяется идеальным (нешумящим), а его шумы описываются двумя шумовыми гене­раторами тока или напряжения, действующими на внешних зажимах УЭ. Один из вариантов такой схемы приведен на. рис. 2.13. Коррелиро­ванные генераторы тока I_Ш1, I_Ш2 являются соб­ственными (автономны­ми) шумовыми параметрами УЭ, их величина не зависит от условий на входе. С их помощью можно рассчитать как собственный уровень шумов УЭ при любом К_г, так и его коэффици­ент шума при тех же условиях.

Дрейф

Дрейф является основным источником погрешности в УПТ. Он про­является в самопроизвольном изменении выходного напряжения (тока) при неизменном или равном нулю входном напряжении (токе). Следует различать медленный (f <1 Гц) и быстрый (f > 1 Гц) дрейф. Быстрый дрейф относят к внутрен­ним шумам усилителя, а медленный является еще од­ной разновидностью внутренних помех. Поскольку для УПТ нижняя ра­бочая частота равна нулю (разд.1.2), то медленный дрейф (в даль­нейшем просто дрейф) оказывает наибольшее влияние на работу именно этого типа усилителей. Причины дрейфа: из­менение температуры, на­пряжения питания, старение УЭ и др. Способы оценки и уменьшения уровня дрейфа будут рассмотрены в разделах, посвященных ОУ.