4.5. Сравнение активных компонентов по уровню собственных шумов

Для того, чтобы определить место ПТ среди активных ком­понентов, необходимо провести сравнительное исследование последних с точки зрения собственных шумов. Результаты экспериментального исследования собственных шумов в области низких частот отечественных и некоторых зарубежных типов биполярных транзисторов электронных ламп и полевых транзисторов сведены в таблицы 4.3, 4.4 и 4.5, соответственно.

Анализируя данные таблицы 4.3 нетрудно прийти к следующим выводам. Шумовые свойства биполярных транзисторов существенно зависят от сопротивления источника сигнала R_Г. Так, например, при R_Г = 0, напряжение собственных шумов может составлять 0,4 – 0,45мкВ в полосе 20Гц ÷ 20кГц. Однако при R_Г = 1кОм, напряжение собственных шумов возрастает, примерно в 3 раза, а при R_Г = 1мОм, напряжение собственных шумов может превышать 100мкВ.

Таблица 4.3. Шумовые свойства биполярных транзисторов

Тип прибора	UК, В	IЭ, мА	fИЗМ, Гц	f, Гц	R, Ом	UШ, Ом	КШ, дБ	fФ, кГц
П28	5	0,5	1000	1	600	6	5	-
П27А	5	0,5	1000	1	600	6	5	-
ГТ310	2,5	0,5	20 ÷20·103	20·103	1000	1350	-	-
ГТ310	2,5	0,5	20 ÷20·103	20·103	0	450	-	-
МП111А	1,5	0,5	1000	1	600	10	10	2
П401	2	0,5	1000	100	600	30	20	20
П403	2	0,5	1000	100	100	17	15	20
П402	2	0,5	1000	100	600	13	12	20
АС107	4	1	1000	1	1200	1	-	-
2N1248	2	0,5	1000	1	6000	3,6	1,1	-
2N707В	2	0,5	1000	1	600	4	2	-
2N535A	2	0,5	1000	1	600	4	2	-
OC71	2	1	1000	1	50	5	5	-
2N930	5	0,01	10 ÷104	104	104	1560	4	-
МП111А	1,5	0,5	20 ÷104	104	600	1500	11,6	-
МП39Б	0,1	0,1	2 ÷2·104	20·103	106	190·103	-	-
КТ312В	2,5	0,5	20 ÷20·103	20·103	0	4000	-	-
КТ312В	2,5	0,5	20 ÷20·103	20·103	1000	1400	-	-
КТ312	2,5	0,05	20 ÷20·103	20·103	106	120·103	-	-

Таблица 4.4. Шумовые свойства электронных ламп

Тип	Конструкция	Способ включения	Uа, В	UС1, В	Iа, мА	S, мА/В	fИЗМ = 103Гц	UШ, мкВ f, 20 ÷20·103 Гц
6Ж4	Пентод	Триодное	130	-3	0,6	0,8	15	-
6Ж1П	Пентод	Триодное	130	-1,5	3,0	1,0	10	2,4
Е14	Дв. триод	Триодное	130	-2	0,5	0,6	20	-
6Н8	Дв. триод	Триодное	80	-3	0,9	0,4	60	-
6Н3П	Дв. триод	Триодное	80	-1,5	0,5	0,4	6	1,8
6С51Н	Нувистор триод	Триодное	75	-1	8	10	2	0,4
6С52Н	Нувистор триод	Триодное	110	-1	4,7	6,6	4	0,5
6Э12П	Нувистор пентод	Пентодное	125	-1	8	9	7	0,7
6Н2П	Дв. триод	Триодное	250	-2,5	1,7	2,3	9	1,1
6Н32П	Пентод	Триодное	250	-2	3	2	-	1,4

Для получения оптимальных шумовых свойств бипо­лярного транзистора уменьшают ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер по сравнению с типовым режимом, что сопровождается уменьшением коэффициента усиления и ухудшением частотных свойств. Коэффициент шума биполярных транзисторов, определенный на частоте 1кГц в полосе 1Гц при R = 0,6 ÷ 1кОм, составляет для малошумящих низкочастотных транзисторов 1 ÷ 5дБ, при этом напряжение шума равно 1 ÷ 6 нВ.

Таблица 4.5. Шумовые свойства ПТ

Тип прибора	Тип канала	Структура	UСИ, В	UЗИ, В	f, Гц	RГ, Ом	UШ, нВ/ fИЗМ = 103Гц	UШ, мкВ f, 20÷20·103 Гц
КП101В	p	p-n-триод	-3,5	0	20 ÷20·103	100	-	14
КП102Ж	p	p-n-триод	-4	0	20 ÷20·103	100	90	16
КП103Е	p	p-n-триод	-2	0,1	20 ÷20·103	100	32	2,0
КП301Б	p	МДП – триод	-4,7	-3,6	20 ÷20·103	100	110	7,5
КП302В	n	p-n-триод	3	-0,3	20 ÷20·103	100	9	0,6
КП303Г	n	p-n-триод	1,5	-0,5	20 ÷20·103	100	6	0,51
КП303Г	n	p-n-триод	11,5	-0,5	20 ÷20·103	106	-	17
КП305Д	n	МДП – триод	11,5	0,6	20 ÷20·103	100	120	13
КП307	n	p-n	3,6	-1,1	20 ÷20·103	100	2	0,42
КП307	n	p-n-триод	3,6	-1,1	20 ÷20·103	106	-	15
КП903	n	p-n-триод	1,6	-2,4	20 ÷20·103	100	6	0,53
КП902	n	МДП – триод	1,0	-6,0	20 ÷20·103	100	130	7
2N2500	p	p-n-триод	-10,0	0	20 ÷20·103	100	-	1,6
2N3436	n	p-n-триод	10,0	-1,8	20 ÷20·103	100	-	1,5
2NK16	n	p-n-триод	5,0	-0,6	20 ÷20·103	100	-	0,83
2N2497	p	p-n-триод	-5,0	0	103 ÷ 1001	106	41	-

Как показано в п. 4.4, шумовые свойства любого активного элемента удобно характеризовать двумя шумовыми параметрами R_ШН и R_ШТ. Величины R_ШН и R_ШТ для биполярного транзистора определяются выражениями:

, (4.84)

, (4.85)

где  – коэффициент усиления по току; S – крутизна выходной характеристики в рабочей точке; r_Б – сопротивление базы.

Величины шумовых параметров и их зависимость от режима работы обычного биполярного транзистора ( = 200, r_Б = 200 Ом) можно определить из рисунка 4.7.

Для реализации режима, обеспечивающего минимальный коэффициент шума, необходимо иметь сопротивление источника сигнала равным среднегеометрическому между R_ШН и R_ШТ. В рассматриваемом случае зависимость оптимального сопротивления источника сигнала в функции тока коллек­тора показана пунктирной линией. Из соображений температурной стабильности и частотных свойств, обычно величину тока коллек­тора в точке покоя выбирают большей, чем 0,1мА, при этом значение шумового параметра R_ШТ, как правило, не превышает 10⁵ Ом. При увеличении тока коллектора наблюдается уменьшение шумового параметра R_ШТ, в то время как R_ШН практически не меняется.

Следует отметить, что коэффициент шума активного элемен­та и его изменение при изменении сопротивления источника сигнала очень сильно зависят от соотношения шумовых параметров R_ШН и R_ШТ. Как видно из рисунка 4.8, с точки зрения собственных шумов, предпочтение следует отдавать активным компонентам, имеющим максимальное отношение . Хотя у биполярных транзисторов в оптимальном режиме отношение может быть велико, однако оно резко уменьшается при больших токах коллектора (рисунок 4.7).

Рис. 4.7. Зависимость шумовых сопротивлений от тока коллектора

Анализируя данные таблицы 4.4 по низкочастотным шумам электронных ламп, можно сделать следующий вывод. Наименьший уровень собственных шумов имеют нувисторы: U_Ш = 0,4 ÷ 0,7 мкВ в полосе 20 ÷ 20·10³ Гц. Последние имеют симметричную конструкцию консольного типа, что обуславливает равномерное распределение поля и, следовательно, более низкий уровень фликкер-шумов. Напряжение собственных шумов нувисторов, опре­деленное на частоте 1000 Гц в полосе 1 Гц, равно 2 ÷ 7 нВ, т.е., соответствует уровню лучших биполярных транзисторов. Для определения шумового параметра R_ШН можно использовать известное из ламповой техники выражение:

, (4.86)

где А₁ = 2,4 в случае вакуумного триода.

Рис. 4.8. Зависимость коэффициента шума от сопротивления

нормированного источника сигнала

Сравнивая выражение (4.86) с (4.77) и учитывая (4.44), нетрудно заметить, что вакуумный триод и МДП-транзистор имеют при равных параметрах, примерно одинаковые значения R_ШН. Такое же значение шумового параметра R_ШН имеют и ПТ с p-n-переходом, при крутизне в 3,5 раза меньшей, чем сравниваемые.

Рассматривая участок сетка-катод электронной лампы, как диод с вольтамперной характеристикой , найдем входное сопротивление:

, (4.87)

где I_СО – начальный ток сетки, U_СК – напряжение сетка-катод, T_ – абсолютная температура катода.

По виду, когда U_СК = 0, выражение (4.87) совпадает с (4.53), полученное для ПТ. Однако следует отметить, что в случае электронной лампы , в то время как для ПТ (и других полупроводниковых приборов) . Следовательно, при одинаковых параметрах лампы имеют в 4 раза большее шумовое сопротивление R_ШТ. Токи сетки обычных электронных ламп составляют 0,1 ÷ 0,01 мкА. При этом шумовой параметр R_ШТ может достигать 10⁷Ом, т.е. значительно превышать значения, типичные для биполярных транзисторов. Однако, с точки зрения R_ШТ электронные лампы уступают полевым транзисторам. Это обусловлено малыми входными токами последних. Входные токи обычных полевых транзисторов обычно лежат в пределах 10^-8 ÷ 10^-11 А, снижаясь до 10^-15 А у некоторых образцов МДП – транзисторов. Поэтому на низких частотах значения R_ШТ у ПТ может превышать 10⁹ Ом.

Данные о низкочастотных шумах отечественных и некоторых типов зарубежных полевых транзисторов сведены в таблицу 4.5. Из таблицы видно, что напряжение собственных шумов U_Ш лучших типов ПТ в полосе 20 ÷ 20·10³ Гц составляет 0,4 ÷ 1,0 мкВ, т.е. примерно такое же, как у лучших электронных ламп и биполярных транзисторов. Однако необходимо отметить, что у исследованных типов ПТ, наблюдался большой разброс значений U_Ш от образца к образцу. В качестве иллюстрации к сказанному на рисунке 4.9, а приведена гистограмма распределения 100 опытных образцов ПТ типа КП303 партии ноября 1971 г. по напряжению собственных шумов в полосе 20 ÷ 40 кГц. Очевидно, по мере ос­воения производства и совершенствования технологии изготовле­ния, разброс ПТ по напряжению собственных шумов будет уменьшаться. Например, в конце 1971 г., единственным серийно выпускавшим­ся полевым транзистором являлся КП103. Гистограмма распределе­ния 100 приборов типа КП103 партии ноября 1971 г. по напряжению собственных шумов в полосе 20 Гц ÷ 20 кГц приведена на рисунке 4.9, б. Сравнивая рисунки 4.9, а и 4.9, б, можно заметить, что хотя луч­шие образцы транзисторов КП303 имеют меньший уровень шумов, чем транзисторы КП303, но границы разброса последних по шумам суще­ственно уже, что может оказаться решающим фактором при выборе активных компонентов разработчиками аппаратуры.

Напряжение малошумящих шумов, определенное на частоте 1000 Гц в полосе 1 Гц у лучших экземпляров ПТ, соответствует лучшим типам ламп и биполярных транзисторов (U_Ш = 2 ÷ 5 нВ).

Сравнивая ПТ между собой, необходимо отметить следующее. С точки зрения низкочастотных шумов предпочтение следует отдавать полевым транзисторам с p-n-переходом и n-каналом. Как видно из таблицы 4.5, наименьшее напряжение собственных шумов имеют ПТ с p-n-переходом и каналом p-типа КП303Г, КП307, КП302, КП903 и др.

При одинаковых конструкциях, технологии изготовления и режиме испытаний, ПТ с p-n-переходом и каналом n-типа имеют более высокие значения крутизны и меньшие токи утечки по срав­нению с транзисторами, имеющими канал p-типа. Это обуслов­ливает более высокие значения шумового параметра R_ШТ и более низкие значения шумового параметра R_ШН у n-канальных транзисторов и, следовательно, их лучшие шумовые свойства. Отечест­венные МДП-транзисторы имеют в полосе частот 20 ÷ 20·10³ Гц примерно на порядок больший уровень собственных шумов, чем лучшие образцы транзисторов с p-n-переходом.

Характеристики спектральной плотности напряжения собствен­ных шумов для ПТ и малошумящей электронной лампы 6C51H приведе­ны на рисунке 4.10. Кривые достаточно точно характеризуют тот факт, что выпускаемые ныне МДП-транзисторы имеют значения предельной частоты фликкер-эффекта выше 40 кГц, в то время как для транзисторов с p-n-переходом КП307, КП303 она принимает значения 1 ÷ 4 кГц. Ощущается необходимость в выпуске малошумящих ПТ с га­рантированной частотой фликкер-эффекта, так как выпускаемые в настоящее время ПТ имеют существенный разброс от образца к образцу в характере зависимости спектральной плотности напряже­ния собственных шумов.

а)
б)

Рис. 4.9. Распределения ПТ по уровню напряжения собственных шумов

Исследована возможность разработки малошумящих ПТ на базе технологии изготовления транзистора КП303 и конструкции транзистора КП302. Обнаружено, что основной при­чиной избыточных шумов исследованных образцов ПТ являлось наличие золота в активной части канала. Уменьшение концентрации золота в активной части канала и проведение дополнитель­ных технологических операций (отжига, геттерирования) позво­лило получить образцы ПТ, у которых уровень шума на частоте 20 Гц в полосе 1 Гц составлял 5 ÷ 20 нВ.

Весьма перспективным элементом для малошумящих усилите­лей является ПТ типа КП903. Ощущается необходимость в прове­дении научно-исследовательской работы по снижению уровня шумов приборов указанного типа, с целью приближения к уровню, предсказываемому теорией (0,15 ÷ 0,2мкВ в полосе 20 Гц ÷ 20 кГц).

Рис. 4.10. Спектральные характеристики шумов ПТ и нувистора