background image

S

S

z

z

u

u

m

m

y

y

 

 

w

w

ł

ł

a

a

s

s

n

n

e

e

 

 

e

e

l

l

e

e

m

m

e

e

n

n

t

t

ó

ó

w

w

 

 

i

i

 

 

u

u

k

k

ł

ł

a

a

d

d

ó

ó

w

w

 

 

e

e

l

l

e

e

k

k

t

t

r

r

o

o

n

n

i

i

c

c

z

z

n

n

y

y

c

c

h

h

 

 

 

Źródła i rodzaje szumów 

 

Mechanizm generacji – szumy cieplne, śrutowe, generacyjno-rekombinacyne, 
rozpływu, 1/f 
(

strukturalne, małoczęstotliwościowe, prądowe, nadmiarowe

),  upływu, 

lawinowe, wybuchowe, Barkhausena (

w materiałach magnetycznych

), kwantowe, 

fotonowe, pochodzące od gorących nośników czy też emisji spontanicznej
 

Szumy cieplne 

 

Każdy rezystor (dwójnik stratny o części rzeczywistej impedancji  )  

w równowadze termodynamicznej jest źródłem szumów o rozporządzalnej 
gęstości widmowej mocy 

 

( )

( )

f

kTp

f

G

nT

=

 ,                                                (1) 

 

gdzie: 

K

s

W

.

k

=

−23

10

38

1

 

 

 

stała Boltzmanna 

T

 

- temperatura 

bezwzględna 

 

- częstotliwość 

( )





+





=

2

1

1

1

kT

hf

exp

kT

hf

f

p

 

 

 
                                                     (2)

2

34

10

62

6

s

W

.

h

=

 

- stała Plancka. 

 

W zakresie częstotliwości, gdzie nie występują jeszcze zjawiska kwantowe (do 

10  

12

Hz

), 

( )

1

f

p

 i gęstość widmowa 

( )

f

nT

G

 jest stała. 

Wartość skuteczną równoważnej siły elektromotorycznej szumu cieplnego 
(szumu Johnsona) w paśmie  f

∆  określa wzór Nyquista: 

 

f

kTR

E

NT

= 4

 .                                             (3a) 

 

Na schematach zastępczych szum cieplny reprezentuje źródło napięciowe,  
o wydajności określonej zależnością (3a), połączone szeregowo z rezystorem 
bezszumowym, lub równoważne źródło prądowe o wydajności 

 

f

kTG

I

NT

= 4

 ,                                               (3b) 

 

 

1

background image

gdzie 

R

G

1

= , połączone równolegle z rezystorem. Dla temperatury pokojowej 

(

K

300

) podstawiając do zależności (3) rezystancję 

[ ]

k

R

 uzyskuje się 

 





Hz

nV

R

E

nT

4

 ,                                          (3a’) 

 





Hz

pA

R

I

nT

4

 .                                          (3b’) 

 

Przykład.

 Dla 

k

9









Hz

nV

Hz

nV

E

nT

12

9

4

natomiast 





Hz

pA

.3





Hz

pA

I

nT

1

9

4

. W paśmie 

kHz

10

 wartość skuteczna (rms) 

rms

NT

V

Hz

nV

E



10

12

4

.

µ

=



2

1

, zaś 

rms

nT

pA

Hz

pA

I

130

=





≅ 10

3

1

4

 

Szumy śrutowe 

 

Są związane z przepływem prądu przez barierę potencjału. Wartość skuteczną 
fluktuacji prądu (o wartości średniej   w paśmie 

f

∆  określa wzór 

Schottky’ego: 

 

f

qI

I

NS

= 2

 ,                                                 (4) 

 

gdzie 

 jest ładunkiem elementarnym. Zależność  ta (stałość 

gęstości widmowej mocy prądu szumu śrutowego) jest słuszna w zakresie 

częstotliwości do 

C

.

q

19

10

6

1

=

τ

1

, gdzie   jest czasem przejścia nośnika przez barierę. Po 

podstawieniu stałej   i wartości prądu 

τ

[ ]

A

I

µ  

 





Hz

pA

I

.

I

nS

57

0

 .                                         (4’) 

 

Przykład.

 Dla 

A

I

µ

=100





=





Hz

pA

.

Hz

pA

.

I

nS

7

5

100

57

0

.  W  paśmie 

kHz

10

 wartość skuteczna (rms) 

.

rms

nA

.

Hz

pA

.

I

NS

57

0

10

57

0

4

=





 

 

2

background image

Szumy rezystorów 

 

Szumy: cieplne i prądowe 
 
Szumy prąd

owe – zależne od technologii wykonania rezystora. 

Wartość skuteczna równoważnego  źródła napięciowego szumów prądowych 
rezystora o rezystancji  , przez który przepływa prąd stały  , w paśmie 

R

I

f

 

 

2

1

2

2





=

α

f

f

R

I

K

E

Nf

 ,                                      (5) 

 

gdzie 

K

 jest stałą zależną od struktury materiału rezystywnego i technologii 

jego wytwarzania. Zwykle 

α

1

 

Wskaźnik szumów prądowych 

 

U

E

W

Nf

f

=

 ,                                                   (6) 

gdzie 

 jest wartością skuteczną napięcia szumów (wyrażoną  

Nf

E

mikrowoltach w dekadzie częstotliwości

), zaś 

U

 spadkiem napięcia stałego 

na rezystorze (w woltach). W skali logarytmicznej 

 

[ ]





µ

=

V

V

W

log

dB

W

f

f

20

 .                                      (7) 

 

Przykład.

 Rezystor węglowy, kompozycyjny o rezystancji 

k

10

 i wskaźniku 

szumów prądowych 

 czyli 

dB

0

V

V

µ

1

. Zastosowano go w układzie o paśmie 

przenoszenia 

kHz

Hz 10

÷

10

, przy czym spadek napięcia na rezystorze wynosi 

V

10

 

1

2

2

2

2

f

f

ln

U

K

E

Nf

=

 .                                           (8) 

 

W każdej dekadzie czy oktawie częstotliwości moc szumów prądowych jest 

stała. 

 

3

background image

U

U

p

p

r

r

o

o

s

s

z

z

c

c

z

z

o

o

n

n

y

y

 

 

m

m

o

o

d

d

e

e

l

l

 

 

s

s

z

z

u

u

m

m

o

o

w

w

y

y

 

 

w

w

z

z

m

m

a

a

c

c

n

n

i

i

a

a

c

c

z

z

a

a

 

 

(

(

c

c

z

z

w

w

ó

ó

r

r

n

n

i

i

k

k

a

a

 

 

l

l

i

i

n

n

i

i

o

o

w

w

e

e

g

g

o

o

)

)

 

 

 

Każdy element elektroniczny jest potencjalnym źródłem szumów, zatem 

analiza szumowa wzmacniacza składającego się z wielu elementów jest złożona. 
Uproszczony model szumowy wzmacniacza 

n

n

I

E

 zawiera tylko dwa 

parametry szumowe, stosunkowo łatwe do zmierzenia. 

Czwórnik przyjmuje się jako bezszumowy, natomiast wewnętrzne  źródła 

szumów czwórnika są reprezentowane przez dwie pary źródeł szumowych 
usytuowane na wejściu lub na wyjściu (bądź na wejściu i wyjściu) czwórnika. 
Najczęściej przyjmuje się model ze źródłami na wejściu. Szumy wzmacniacza 
(może to być czwórnik pasywny, tranzystor, wzmacniacz scalony) są w nim 
reprezentowane przez źródło napięciowe,  źródło prądowe oraz zespolony 
współczynnik korelacji, co daje w sumie cztery parametry szumowe. Pomijając 
korelację między  źródłami model upraszcza się do dwóch parametrów jak na 
rys. 1. Zawiera on również źródło sygnału  oraz szumiącą rezystancję źródła 
sygnału 

in

s

R

 

 

Rys. 1. Uproszczony model szumowy wzmacniacza ze źródłem sygnału 

 
Szumy wzmacniacza są w pełni reprezentowane przez źródło napięciowe  
–  równoważne wejściowe napięcie szumów 

 (o zerowej impedancji) 

połączone szeregowo z wejściem,  źródło prądowe - równoważny wejściowy 
prąd szumów  
 (o nieskończonej impedancji) połączone równolegle 

 

z wejściem oraz zespolony współczynnik korelacji  (nie uwzględniony na 
rysunku). Każdy z tych czterech parametrów szumowych czwórnika jest funkcją 

n

E

n

I

 

4

background image

częstotliwości.  Źródło 

 reprezentuje szumy cieplne impedancji źródła 

sygnału. 

t

E

A

V

n

I

2

t

E

 

Trzy  źródła szumów z rys. 1 można zastąpić jednym – całkowitym 

napięciem szumów odniesionym do wejścia 

. Odnosi ono wszystkie źródła 

szumów do zacisków źródła sygnału co pozwala na proste wyznaczenie 

stosunku mocy sygnału do mocy szumów 

ni

E

N

S

Napięcie sygnału i napięcie szumów na zaciskach 

 jest mnożone przez 

wzmocnienie napięciowe 

. Zatem wzmocnienie sygnału (transfer function, 

system gain) 

in

Z

v

 

in

so

t

V

V

K

=

 .                                                   (10) 

 

Jest ono różne od wzmocnienia napięciowego wzmacniacza 

. Jest ono 

zależne zarówno od impedancji wejściowej wzmacniacza, jak i od rezystancji 
źródła sygnału i jest funkcją częstotliwości. Wartość skuteczna napięcia sygnału 
na wyjściu czwórnika wynosi 

v

A

 

v

in

s

in

in

so

A

Z

R

Z

V

+

=

.                                           (11) 

 

Podstawiając (11) do (10) można wyrazić 

 za pomocą jedynie parametrów 

czwórnika (wzmacniacza) 

t

K

 

in

s

in

v

t

Z

R

Z

A

K

+

=

 .                                                (12) 

 

Dla oszacowania poziomu szumów należy brać pod uwagę wartości 
średniokwadratowe (kwadraty wartości skutecznych), zatem całkowity poziom 
szumów na wyjściu czwórnika 

 

2

2

2

i

v

no

E

A

E

=

 .                                                  (13) 

 

Poziom szumów na wejściu wzmacniacza wynosi (jeśli źródła szumów 
wzmacniacza: 

 oraz   są nieskorelowane) 

n

E

 

(

)

2

2

2

2

2

s

in

n

s

in

in

n

i

R

Z

I

R

Z

Z

E

E

+

+

+

=

 ,                            (14) 

 

 

5

background image

zatem na wyjściu 

 

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

s

in

v

n

s

in

in

v

n

t

no

R

Z

A

I

R

Z

Z

A

E

E

E

+

+

+

=

 .                  (15) 

 

Dzieląc go przez kwadrat modułu wzmocnienia systemu wyrażonego przez (12) 
uzyskuje się ważne wyrażenie na całkowite równoważne szumy odniesione do 
wejścia 

 

2

ni

E

 

2

2

2

2

2

s

n

n

t

ni

R

I

E

E

E

+

+

=

                                         (16) 

 

Mówi ono, że pojedyncze źródło szumów o wydajności 

 (

2

ni

E

niezależnej od 

wzmocnienia wzmacniacza i jego impedancji wejściowej co umożliwia 
porównanie charakterystyk szumowych różnych wzmacniaczy) umieszczone 
szeregowo ze źródłem sygnału 

 wytworzy poziom całkowitych szumów na 

wyjściu 

 wyrażony przez (16). Impedancja wejściowa wzmacniacza musi 

jednakże być brana pod uwagę przy określaniu 

 oraz 

in

V

2

no

E

t

K

no

E

W przypadku korelacji (

 - współczynnik korelacji) między  źródłami 

szumów wzmacniacza wyrażenie (16) modyfikuje się do postaci 

 

s

n

n

s

n

n

t

ni

R

I

cE

R

I

E

E

E

2

2

2

2

2

2

+

+

+

=

 .                                (17) 

 

Człon korelacyjny może być uwzględniony jako dodatkowe źródło napięciowe 
szumów o wartości skutecznej napięcia 

s

n

n

R

I

cE

2

 

połączone szeregowo z 

 

lub jako dodatkowe źródło prądowe szumów o wartości skutecznej prądu 

n

E

s

n

n

R

I

cE

2

 połączone równolegle z  . 

n

I

Pomiar parametrów  

  oraz    

n

E

n

I

 

Model 

 jest tak powszechnie akceptowany z uwagi na łatwość 

pomiaru tych parametrów szumowych. 

n

n

I

E

Pierwsza składowa 

 - szumy cieplne rezystancji źródła 

ni

E

t

E

 mogą być 

łatwo wyznaczone ze wzoru Nyquista  

f

kTR

E

s

t

= 4

Biorąc pod uwagę równanie (16) łatwo zauważyć,  że jeśli przyjmie się 

0

=

s

R

, to dwie składowe po prawej stronie się zerują i całkowite napięcie 

szumów odniesione do wejścia jest równe równoważnemu wejściowemu 

 

6

background image

napięciu szumów wzmacniacza 

. Mierząc zatem całkowite szumy na wyjściu 

przy warunku 

n

E

0

=

s

R

 otrzymuje się w rezultacie wielkość 

 i dzieląc ją 

przez 

 uzyskuje się 

n

v

E

A

v

A

n

E

n

I

s

R

s

R

~

s

n

K

n

n

I

I

s

R

Trzecia składowa (

s

R

) może być najprościej wyznaczona przy bardzo 

dużych wartościach 

. Szumy cieplne są bowiem 

, natomiast 

wyrażenie 

n

R

I

 zależy liniowo od 

s

R

, dominuje zatem dla odpowiednio dużych 

wartości rezystancji źródła sygnału. Aby zatem wyznaczyć 

 należy zmierzyć 

całkowitą moc szumów na wyjściu wzmacniacza 

 przy dużej wartości 

I

2

no

E

~

s

R

 

i podzielić uzyskany wynik przez 

2

t

 uzyskując 

, na co składa się głównie 

2

ni

E

2

2

s

n

R

I

2

ni

E

. Jeśli składowa szumów cieplnych nie jest pomijalna, można odjąć ją od 

Wartości 

 oraz 

 zależą od częstotliwości, punktu pracy (np. polaryzacji 

tranzystora) czy też rodzaju elementu aktywnego na wejściu wzmacniacza. 

E

 
Przykłady 

 

Krzywa reprezentująca całkowite szumy odniesione do wejścia 

 jest 

ograniczona przez trzy różne proste odpowiadające poszczególnym składowym 
w równaniu (16). Dla małych wartości 

ni

E

s

R

 decyduje 

. Ze wzrostem 

n

E

s

R

 

szumy cieplne zaczynają być znaczące. Dla odpowiednio dużych wartości 

s

R

 

na wartość 

 składa się głównie człon 

ni

E

s

n

R

I

Na rys. 2a składowe 

 oraz 

 dominują nad szumami cieplnymi prawie 

dla całego zakresu wartości 

n

E

n

. Na rys. 2b równoważny wejściowy prąd 

szumów 

 wzmacniacza operacyjnego AD743 (technologia BiFET) jest rząd 

wielkości mniejszy. Całkowite szumy odniesione do wejścia są zatem 
zdeterminowane przez szumy cieplne dla stosunkowo szerokiego zakresu 

n

I

s

R

 

7

background image

 

Rys. 2. Zależność 

 od rezystancji 

ni

E

s

R

 

 

Zmniejszając wartości 

 oraz 

 poszerza się obszar dominacji 

n

E

n

I

s

R

.  

W idealnym przypadku szumy własne czujnika pomiarowego są limitowane 
szumami cieplnymi jego rezystancji wewnętrznej. 
Krzywe pokazane na rys. 2 mogą być stosowane dla dowolnych elementów 
aktywnych, jednak poziomy będą się różniły. I tak, np. dla wzmacniaczy opera- 

 

8

background image

cyjnych bipolarnych lub CMOS, wartości 

  będą typowo jak dla 

częstotliwości powyżej częstotliwości narożnej szumów 1/f. Dla przyrządów 
FET i wzmacniaczy operacyjnych z pierwszym stopniem zawierającym 
tranzystory FET, 

 może przyjmować wartości równe typowo jedynie 1/100 

wartości przedstawionych na rysunku. 

n

E

n

I

 

Szumy tranzystorów bipolarnych 

 

Celem będzie wyznaczenie parametrów szumowych 

 oraz 

 dla 

BJT korzystając z modelu szumowego tranzystora, zawierającego  źródła 
szumów cieplnych, śrutowych i typu 1/f. Parametry te są zależne od punktu 
pracy tranzystora, zatem należy tak go dobrać, aby zminimalizować poziom 
szumów. 

ni

E

n

E

n

I

 

Małosygnałowy  model  mieszane-

π

 

 

Parametry modelu są ogólnie niezależne od częstotliwości. Na rys. 3 

pokazano model dla konfiguracji CE zawierający 7 elementów niezależnie od 
rodzaju tranzystora (

npn lub pnp). Elementy   oraz 

C

 (powstałe wskutek 

efektu modulacji szerokości obszaru bazy oraz jako pojemność warstwy 
zubożonej) reprezentują przeważającą część impedancji wejściowej tranzystora. 

π

r

π

 

 

Rys. 3. Małosygnałowy model typu mieszane-

π tranzystora bipolarnego 

 

Właściwości wzmacniające tranzystora reprezentuje zależne źródło prądowe 

, gdzie 

V

 odpowiada napięciu sygnału między zaciskami 

π

V

g

m

π

E

'

B

. Element 

 przedstawia dynamiczną rezystancję wyjściową tranzystora. 

o

r

 

9

background image

Ważniejsze parametry modelu mieszane-

π mogą być wyrażone za pomocą 

łatwo mierzalnych wielkości. 

Zwarciowe wzmocnienie prądowe 

 lub 

β

 nie 

jest parametrem modelu mieszane-

π. Jeżeli jednak dokona się zwarcia pomiędzy 

 i 

fe

h

0

C E

 i ograniczy się do zakresu m.cz. (pojemności można wówczas pominąć), 

to dla dużych wartości   

π

r

 

π

π

π

π

=

=

β

r

g

r

V

V

g

m

m

0

 .                                          (18) 

 

Parametr 

, wiążący małosygnałowy parametr dla prądu zmiennego ze stałym 

prądem kolektora, może być wyprowadzony z r-nia diody (relacji między 

m

g

C

I

  

BE

V

): 

 

kT

qI

g

C

m

=

 .                                                  (19) 

 

W temperaturze pokojowej 

V

kT

q

40

=

Innym parametrem użytecznym w analizie szumowej jest tzw. rezystancja 

emitera Shockleya  , będąca odwrotnością 

. W temperaturze pokojowej jest 

ona równa 

e

r

m

g

 

[

=

C

m

e

I

.

g

r

025

0

1

]

 .                                        (20) 

 

Rezystancja baza-emiter może być też wyrażona przez zależność od prądu 

C

I

. Podstawiając (20) do (18) uzyskuje się 

 

e

m

r

g

r

0

1

β

=

=

π

 .                                              (21) 

 

Iloczyn wzmocnienia i pasma 

T

f

 jest częstotliwością przy której współczynnik 

zwarciowego wzmocnienia prądowego maleje do jedności. Wyrażając go za 
pomocą parametrów modelu mieszane-

π 

 

µ

π

π

=

C

f

g

C

T

m

2

 .                                             (22) 

 

Częstotliwość odcięcia 

 lub 

 jest częstotliwością, przy której 

hfe

f

β

f

β

 maleje do 

wartości równej 0.707 jej wartości dla m.cz. 

0

β

. Można wykazać, że 

 

10

background image

 

0

β

=

β

T

hfe

f

f

f

 .                                            (23) 

 

Typowy zbiór wartości parametrów modelu mieszane-

π (tranzystor pnp 2N4250 

małej mocy, w.cz., w punkcie pracy: 

mA

.

I

C

1

0

=

V

V

CE

5

=

): 

 

=

π

k

r

97

 

=

M

.

r

o

6

1

 

= 278

x

r

 

=

µ

M

r

15

 

S

.

g

m

0036

0

=

 

pF

C

4

=

µ

 

350

0

=

β

 

pF

C

25

=

π

 

 

M

M

o

o

d

d

e

e

l

l

 

 

s

s

z

z

u

u

m

m

o

o

w

w

y

y

 

 

t

t

r

r

a

a

n

n

z

z

y

y

s

s

t

t

o

o

r

r

a

a

 

 

b

b

i

i

p

p

o

o

l

l

a

a

r

r

n

n

e

e

g

g

o

o

 

 

(schemat zastępczy

 

Rzeczywiste rezystancje generują szumy cieplne, prądy złącz są  źródłem 

powstawania szumów śrutowych, zaś przepływ prądu generuje szumy typu 1/f. 

Rezystancja rozproszona bazy 

x

r

 generuje szum cieplny, prądy 

 oraz 

B

I

C

I

 

generują szum śrutowy przepływając przez odpowiednie złącza, natomiast 
przepływ prądu bazy przez obszar zubożony złącza baza-emiter powoduje 
powstanie szumów 1/f (rys.4). 

 

 

Rys.4. Szumowy schemat zastępczy tranzystora bipolarnego według modelu 

mieszane-

π 

 

 

11

background image

Elementy sprzężenia zwrotnego 

C

 oraz 

 zostały pominięte dla uproszczenia 

analizy, co ogranicza zastosowanie tego modelu do zakresu częstotliwości 

mniejszych od 

µ

µ

r

0

β

T

f

. Dla częstotliwości większych od 

 mechanizmy 

generacji szumów są częściowo skorelowane i całkowity poziom szumów jest 
nieco wyższy od oszacowanego za pomocą tego modelu. Źródła szumów na 
schemacie mają następujące wydajności: 

β

f

 

x

x

kTr

E

4

2

=

 ,                                                  (24) 

 

B

nb

qI

I

2

2

=

 ,                                                (25) 

 

C

nc

qI

I

2

2

=

 ,                                               (26) 

 

s

s

kTR

E

4

2

=

 ,                                              (27) 

 

α

γ

=

f

KI

I

B

f

2

 .                                                (28) 

 

Parametr 

γ

 w zależności (28) przyjmuje się zwykle jako równy 1, chociaż 

często dochodzi do wartości 2, natomiast stała 

K

 przyjmuje wartości  

z przedziału 

1

. Stałą 

12

15

10

2

2

10

2

×

÷

×

.

.

K

  można zastąpić przez wyrażenie 

, gdzie   jest ładunkiem elementarnym równym 

1

, a 

 stałą, 

reprezentującą częstotliwość narożną szumów 1/f (skorelowaną z nią), 
przyjmującą wartości z przedziału 

L

qf

2

q

C

19

10

×

.6

L

f

MHz

kHz

.

3

7

7

÷

. Wykładnik   przyjmuje 

zwykle wartość bliską 1. Wyrażenie (28) można zatem zapisać jako 

α

 

f

I

qf

I

B

L

f

γ

=

2

2

 .                                               (29) 

 

Źródło napięciowe szumów 1/f jest iloczynem prądu szumów określonego 
zależnością (29) i rezystancją obwodu "zwierającego" 

. Ponieważ udział 

2

f

I

x

r

  

w szumach 1/f jest mniejszy niż wynikałoby to z teorii dla tranzystorów 
planarnych, należy przyjąć wartość 

'

x

r

, mniejszą od 

x

r

, bardziej odpowiadającą 

wynikom pomiarów. Przyjmuje się zwykle 

2

x

'

x

r

r

, zatem źródło napięciowe 

szumów 1/f przyjmuje wartość 

 

f

r

I

qf

E

x

B

L

f

2

2

2

γ

 .                                              (30) 

 

12

background image

Całkowite równoważne wejściowe napięcie szumów 

tranzystora bipolarnego 

 

Należy wyznaczyć całkowity poziom szumów na wyjściu tranzystora, 

wzmocnienie od źródła sygnału do wyjścia i odnieść poziom szumów 
całkowitych do wejścia. 

Zwierając wyjście na szumowym schemacie zastępczym tranzystora (rys. 4) 

można poziom całkowitego prądu szumów na wyjściu określić jako 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)



+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

=

+

=

π

π

π

π

π

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Z

R

r

R

r

Z

I

I

Z

R

r

Z

E

E

g

I

V

g

I

I

s

x

s

x

f

nb

s

x

s

x

m

nc

m

nc

no

 .      (32) 

 

Napięcie sygnału na wyjściu tranzystora wynosi 

 

π

π

π

+

+

=

=

Z

R

r

Z

V

g

V

g

I

s

x

s

m

m

o

                                     (33) 

 

Wzmocnienie układu jest równe 

 

π

π

+

+

=

=

Z

R

r

Z

g

V

I

K

s

x

m

s

o

t

 .                                    (34) 

 

Całkowite równoważne wejściowe napięcie szumów 

 

2

2

2

t

no

ni

K

I

E

=

                                                  (35) 

 

należy teraz wyrazić za pomocą impedancji i źródeł szumowych: 

 

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

π

π

+

+

+

+

+

+

+

=

Z

g

Z

R

r

I

R

r

I

I

E

E

E

m

s

x

nc

s

x

f

nb

s

x

ni

           (36) 

 

podstawiając wartości gęstości widmowych odpowiednich źródeł 

 

 

13

background image

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

π

π

γ

+

+

+

+

+

+

+

+

+

=

Z

g

Z

R

r

qI

f

R

r

I

qf

R

r

qI

R

r

kT

E

m

s

x

C

s

'

x

B

L

s

x

B

s

x

ni

 .         (37) 

 

Dla m.cz ostatni składnik (zależny od częstotliwości) upraszcza się do postaci: 

 

(

)

2

0

2

2

β

+

+

π

r

R

r

qI

s

x

C

 .                                         (38) 

 

Dla w.cz. (aż do częstotliwości 

0

β

T

f

) składnik ten z kolei przyjmuje 

następującą postać 

 

(

)

2

2

2

2

2

2

2

1

2





+

ω





ω

+

+

π

π

T

s

x

C

m

s

x

C

f

f

R

r

qI

C

g

C

R

r

qI

 .            (39) 

 

Ostatecznie, całkowite równoważne odniesione do wejścia napięcie szumów 
tranzystora bipolarnego wyrażone przy pomocy parametrów modelu 
zastępczego tranzystora, temperatury, prądów polaryzacji, częstotliwości oraz 
rezystancji źródła ma postać 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

0

2

2

2

2

2

2

2

4





+

+

+

+

+

β

+

+

+

+

+

+

=

γ

π

T

s

x

C

s

'

x

B

L

s

x

C

s

x

B

s

x

ni

f

f

R

r

qI

f

R

r

I

qf

r

R

r

qI

R

r

qI

R

r

kT

E

 .       (40) 

 

Jest to tylko przybliżenie, choć praktycznie bardzo przydatne. W modelu z rys. 4 
pominięto pojemność sprzężenia zwrotnego 

 co powoduje, że dla zakresu 

w.cz. rzeczywisty poziom szumów może być wyższy niż określony przez (40). 
Pierwsze trzy człony nie zależą od częstotliwości, zatem wyznaczają one 
graniczny poziom szumów tranzystora. Pierwszy człon 

µ

C

x

kTr

4

 reprezentuje 

szum cieplny rezystancji rozproszonej bazy. Człon 

( )

2

2

x

B

qI r

 jest napięciem 

związanym z szumem śrutowym prądu bazy i zwykle może być pominięte, gdyż 

 

14

background image

rezystancja  źródła jest zwykle większa od rezystancji bazy i 

s

E

 dominuje. 

Człon 

( )

2

0

2

2

β

π

r

qI

C

 

odpowiada szumom śrutowym prądu kolektora i może być 

również zapisany jako 

2

2

e

C

r

qI

 

lub 

. Należy przypomnieć,  że 

 jest 

rezystancją dynamiczną i nie wytwarza szumów cieplnych.  

e

kTr

2

e

r

2

2

+

π

r

2

+

x

B

r

qI



T

f

f

x

r

2



2

+

L

qf

2

+

x

qI

kTr

n

I

B

qI

4

2

s

R

s

2

0

2

β

+

B

qI

2

γ

B

L

f

I

qf

2

=

B

qI

+

γ

B

L

f

I

 

Równoważne wejściowe napięcie i prąd szumów tranzystora  bipolarnego 

 

Równoważne wejściowe napięcie szumów 

można uzyskać z (40) przy 

n

E

0

=

s

R

 

 

2

2

2

2

0

2

2

2

2

4



+

β

+

=

γ

x

C

'

x

B

L

C

x

n

r

qI

f

r

I

qf

qI

kTr

E

 .      (41) 

Ponieważ 

 oraz ponieważ zwykle 

e

r

r

0

β

=

π

2

0

2

e

r

β

<<

, zatem 

 

2

2

2

2

2

4



+

=

γ

T

x

C

'

x

B

e

C

n

f

f

r

qI

f

r

I

r

E

 .           (42) 

 

Równoważny wejściowy prąd szumów 

 wyznacza się również z równania 

(40) przyjmując tym razem dużą wartość 

s

R

, mianowicie 

s

kTR

>

2

dzieląc obie strony (40) przez 

 i wyznaczając wartość graniczną dla 

R

 

 

2

2

2

2





+

+

=

T

C

C

n

f

f

qI

qI

I

 .                       (43) 

 

Ponieważ 

B

C

I

<<

β

2

0

, drugi człon w (43) można pominąć i ostatecznie 

 

2

2

2

2





+

T

C

n

f

f

qI

qf

I

 .                            (44) 

 

15

background image

Przykład 

 

Wyznaczyć  średni kwadrat całkowitego równoważnego odniesionego do 

wejścia napięcia szumów 

 dla tranzystora 2N4250 pracującego przy prądzie 

kolektora 

 i rezystancji źródła sygnału 

2

ni

E

mA

1

=

k

R

s

10

 w paśmie 

częstotliwości 

Hz

f

10

=

 wokół częstotliwości 

kHz

1

 korzystając z danych 

katalogowych. 

 

I  sposób 

 

Łatwiejszy. Odczytuje się wartości 

 oraz 

 przy 

n

E

n

I

kHz

f

1

=

 z katalogu: 

Hz

nV

E

n

2

=

,   

Hz

pA

I

n

1

=

, a następnie oblicza się 

 z równania: 

2

ni

E

 

(

)

f

R

I

E

E

E

s

n

n

t

ni

+

+

=

2

2

2

2

2

 

 

(

) ( ) ( )

( )

10

10

10

10

2

10

6

1

2

4

2

12

2

9

16

2





+

×

+

×

=

.

E

ni

 

 

(

)

( )

10

10

10

4

10

6

1

16

18

16

2

+

×

+

×

.

E

ni

 

 

2

15

2

10

64

2

V

.

E

ni

×

=

 

nV

.

E

ni

4

51

=

 

 

Dominujący wpływ mają szumy cieplne rezystancji źródła sygnału oraz człon 

2

2

s

n

R

I

; człon 

 jest do pominięcia.  

2

n

E

 

II  sposób 

 

Wykorzystując dane liczbowe parametrów tranzystora wyznacza się 

 oraz 

 bezpośrednio z zależności (42) i (44), co umożliwia oszacowanie, który 

mechanizm generacji szumów stanowi dominujące  źródło szumów. Dla 

2

n

E

2

n

I

I

mA

C

1

=

. Z równania (42) uzyskuje się 

= 25

e

r

Hz

V

.

f

E

n

2

2

10

63

2

×

=

18

Pierwszy człon w tym równaniu, pochodzący od rezystancji bazy 

150

, jest 

dominujący. Z równania (44) otrzymuje się 

Hz

A

.

f

I

n

24

2

10

18

1

×

=

2

n

I

2

. Szum 

śrutowy prądu bazy jest najistotniejszym składnikiem 

; szum 1/f wnosi 

 

16

background image

również istotny wkład. Można teraz wyznaczyć wartość 

 w paśmie 

 

uzyskując 

2

ni

E

Hz

10

 

2

15

2

10

79

2

V

.

E

ni

×

=

 

 

nV

.

E

ni

8

52

=

 

 

Uzyskany wynik potwierdza poprawność obliczeń nawet przy małej dokładności 
odczytu danych z krzywych katalogowych. 

 

17