Теоретические основы оптико-электронных приборов - Мирошников М.М.
Скачать (прямая ссылка):
F ¦= 1 — 4kTrBXr2J(4kTrcrlx) = 1 — rJrBX.
Следовательно, для уменьшения коэффициента шума следует увеличивать входное сопротивление усилителя.
§ 3. ДРОБОВЫЙ ШУМ
Наличие дробового шума определяется тем, что электрический ток представляет собой поток дискретных частиц, заряд которых равен или кратен величине е = 1,60 * 1U-19 Кл (заряду электрона).
Дробовый шум называют также шумом Шоттки, который предсказал этот шум в 1918 г., предположив, что в противополож-
457
ность протеканию тока в проводнике, где поток электронов упорядочен, при протекании тока в электронной лампе электроны эмиттируются катодом случайным образом и достигают анода также случайно, ударяясь о него подобно тому, как капли дождя падают на крышу или дробинки попадают в мишень. По аналогии с шумом от попадающих в мишень дробинок Шоттки назвал рассматриваемый шум дробовым.
Сравнивая количество электронов, пролетающих через поперечное сечение лампы за время т, Шоттки нашел, что вследствие хаотичности эмиссии эти количества в разные промежутки времени различны. Для данного значения постоянной составляющей тока /0 дисперсия флуктуаций тока ix, регистрируемого в процессе измерений в течение времени т, пропорциональна заряду электрона е и току /0
А ц — eio/x.
Этот результат, полученный Шоттки, почти не используется в его настоящем виде, за исключением случаев применения счетчиков, регистрирующих прохождение отдельных частиц.
Большей частью для практических расчетов используется выражение для спектральной плотности дробового шума J (f), полученное в 1925 г. Фри:
J (/) = 2ei0; di2 = J (f) df — 2eifj df.
Это последнее выражение известно как формула Шоттки. Оно применимо для случая, когда диод работает в режиме насыщения, т. е. когда все испускаемые катодом электроны достигают анода. Именно этот случай имеет место в фотоэмиссионных приемниках излучения, работающих при больших положительных потенциалах на аноде.
При работе диода при низких напряжениях, когда насыщение еще не достигнуто, фактическим катодом является пространственный заряд, который создает потенциальный барьер перед физическим катодом. Этот барьер должен преодолеть каждый излученный физическим катодом электрон, чтобы достигнуть анода. Только электроны, скорость которых достаточно велика, преодолевают этот барьер. Таким образом, пространственный заряд осуществляет селекцию электронов по скоростям, что уменьшает уровень дробового шума в соответствии с коэффициентом Га, называемым коэффициентом депрессии.
Следовательно, в этом случае
J (/) = 2ei0r2.
Коэффициент депрессии зависит от конструкции лампы, и его величина может доходить до значений 0,02—0,1.
458
Дробовый шум триода, если считать, что ток сетки отсутствует, может рассчитываться по тем же формулам, что и для диода, работающего с пространственным зарядом.
Дробовый шум сеточного тока лампы рассчитывается по формуле для диода, работающего в режиме насыщения.
В многоэлектродных лампах, таких как тетроды и пентоды, имеет место еще один вид шума, называемый шумом токораспре-делеиия, который создается за счет случайного характера распределения тока между сетками. Эти дополнительные флуктуации уменьшают сглаживающее действие пространственного заряда и шум многоэлектродных ламп в три—пять раз превышает дробовый шум триода.
Таким образом, в соответствии с формулой Шоттки спектральная плотность дробового шума не зависит от частоты. Эта формула хорошо описывает шум для частот выше нескольких килогерц и в то же время более низких, чем величина, обратная времени пролета электрона от катода к аноду. При частотах ниже нескольких килогерц появляется другой вид шума (фликкер-шум), спектральная плотность которого быстро изменяется с изменением частоты. Конечное время пролета электрона от катода к аноду вызывает уменьшение спектральной плотности дробового шума па высоких частотах. Время пролета электрона от катода к аноду зависит от геометрии лампы и напряженности электрического поля в между электродных промежутках. Оно составляет величину (1 -т-10) 10~10 с (заметим, что средняя длительность интервала между вылетом электронов равна 1,6-10~1С с, т. е. за время пролета электрона от катода к аноду из катода вылетает несколько миллионов электронов). Следовательно, уменьшения спектральной плотности дробового шума вследствие конечного времени пролета электроном межэлектродного промежутка можно ожидать на частотах 1010—1011 Гц.
Источники дробового шума — фотоэмиссионные приемники излучения и электронные лампы — удобно представлять в виде генератора шумового тока, дисперсия которого дается формулой Шоттки и ее аналогами.
Фотоэмиссионный приемник обычно является источником дробового шума эмиссионного тока и теплового шума сопротивления утечки изоляции.
Кроме того, нагрузкой фотоэмиссионного приемника в общем случае является комплексное сопротивление га (/), состоящее из активного сопротивления гн и реактивного хп (рис. 320, а). Активное сопротивление гю так же как сопротивление утечки, является источником теплового шума. Эквивалентная шумовая схема фотоэмиссионного приемника и его нагрузки ^в соответствии с этим имеет вид, представленный на рис. Л 320, б. В этой схеме реактивное сопротивление jX включает^в себя собственную емкость фотоэмиссионного приемника Со, а активное
