Chương 1 Sơ đồ khối tổng quát, chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của các thiết bị thu phát
7. Tạp âm của bán dẫn
Nói chung tạp âm của điốt bán dẫn và transistor cũng có bản chất vật lý giống nh− ở đèn điện tử vì nó cũng có các dòng của những hạt mang điện thoát từ cực này qua cực khác qua các mặt ghép. Ngoài ra mỗi một khối bán dẫn cũng có
điện trở nhất định nên còn có tạp âm nhiệt của điện trở khối bán dẫn nữa.
a.Tạp âm của điôt bán dẫn.
Trong điôt bán dẫn có ba thành phần tạp âm chủ yếu:
- Tạp âm nhiệt của điện trở khối bán dẫn;
- Tạp âm hạt của lớp mặt ghép (lớp ngăn cách) hai khối;
- Tạp âm “dôi” (có thể bỏ qua đ−ợc).
Khi điện trở của khối bán dẫn là thì tạp âm nhiệt của đ−ợc xác định theo công thức Naiquist.
R0 R0
Uta2 =4kT R Do o ta (2.49) Còn tạp âm hạt của lớp mặt ghép
Ita2 =2 (e Io+2 )I Do' ta (2.50) Trong đó : và là dòng điện tổng cộng và dòng điện ng−ợc của điốt khi có điện áp bên ngoài đặt lên nó.
I0 I0′
Khi đó có thể biểu diễn tạp âm tương đương cho điốt theo sơ đồ (hình 2 - 13), trong đó gd là điện dẫn vi phân của lớp ngăn.
d o ( '
o
I e
g I
U kT o Io) δ
= δ = + (2.51)
~ Ita
Uta
g d
Ro
~
H×nh2 - 13
Trong nhiều trường hợp tạp âm của điôt được đánh giá bằng các nhiệt độ tạp
âm td , hoặc bằng hệ số tạp âm của điôt , hoặc điện dẫn tạp âm t−ơng đ−ơng.
Những giá trị này thông thường được xác định theo công thức hoặc số liệu sổ tay của riêng từng điốt khi sản xuất ra đã thử nghiệm đo đ−ợc.
Nta
a. Tạp âm của Transistor
Trong Transistor có bốn thành phần tạp âm chính:
- Tạp âm nhiệt của điện trở các khối bazơ ( )rb , collector ( )ra và emitter ( )ra - Tạp âm hạt của các mặt ghép emittor và collector ;
- Tạp âm do sự phân phối lại dòng emittor giữa base và collector;
- Tạp âm “dôi” mà ta bỏ qua vì ở tần số thấp.
Trong các khối bán dẫn thì ( )rb là có giá trị lớn nhất, nên ta chỉ tính tạp âm nhiệt của transistor do (rb) gây nên :
Utab2 =4kT r Do b ta (2.52) Tạp âm hạt của lớp mặt ghép emittơ do dòng thuận và ng−ợc chảy qua mặt ghép.
Ie Ien
Utae2 =2 (e Ie+I r Den) e2 ta ( 2.53)
2
2
Vì trong dòng emittor có dòng collector thuận , nên trong tạp âm hạt của mặt ghép collector ta chỉ tính theo dòng là dòng collector ng−ợc gây nên.
Ik
Ikn
Utakn2 =2eI r Dkn k ta (2.54)
Ngoài ra ở mặt ghép collector còn có tạp âm do phân phối lại dòng điện emittor giữa base và collector nữa :
Utap2 =2eI he 21e(1−h21e)r Dk ta (2.55) Trong đó
h21e là hệ số truyền đạt dòng điện transistor.
Nh− vậy ở collector có hai nguồn tạp âm độc lập thống kê với nhau :
2 2 2 2
21 21
2 kn (1
tak takn tap e k e e ta
e
U U U eI r I h h D
I
⎡ ⎤
= + = ⎢ + −
⎣ )⎦⎥ (2.56)
Khi đó ta có thể biểu diễn tạp âm tranzitor nh− sơ đồ (hình 2 - 14).
~ rk U~tak ~
~
e yI r
Utab
rb
re
Utae
e
b
k
H×nh 2-14
Trong sơ đồ (hình 2 - 14), đặc tr−ng cho tính chất khuếch đại của transistor.
a yI r
Thông th−ờng với transistor có thể tính toán bằng số tạp âm của nó theo công thức :
2 ' 2
' 21
21
( )
1 2 1
2
e
b th b e ng
e
ng gh e ng e
r r f r r R
N h
R+ ⎡⎢ ⎛ f ⎞ + +h R r' 2π⎤⎥
= + + +⎢⎣ ⎜⎜⎝ ⎟⎟⎠ ⎥⎦
(2.57) Trong đó : fthlà tần số tín hiệu mà transistor làm việc ;
fgh là tần số giới hạn của transistor ;
R′ng là điện trở ra của nguồn tín hiệu đ−ợc tính toán đến đầu vào của transistor.
Sau đó có thể coi N là hệ số tạp âm (xem phần sau) của tầng khuếch đại cao tần đầu tiên nếu tầng này dùng transistor.
2.7. Hệ số tạp âm và độ nhạy máy thu
Mức độ tín hiệu ở đầu ra một thiết bị bao giờ cũng phải bằng hoặc lớn hơn một số lần nào đó so với mức độ tạp âm ở đầu ra thì ta mới có khả năng nhận biết tín hiệu ở đầu ra thiết bị. Ng−ời ta nói rằng, muốn nhận biết tín hiệu ta cần một tỉ số tín/ tạp ở đầu ra nhất định (bằng hoặc lớn hơn 1).
Khi đánh giá mức độ tạp âm của một bộ phận ảnh hưởng đến tỉ số tín/ tạp ở
đầu ra, ta không phải chỉ tính toán xem nó sinh ra l−ợng tạp âm bằng bao nhiêu,
mà còn phải đánh giá xem mức độ tạp âm bộ phận đó sinh ra bằng bao nhiêu phần tạp âm tổng cộng ở đầu ra của bộ phận ấy nữa. Có nh− thế mới thấy bộ phận ấy làm xấu tỷ số tín/ tạp nh− thế nào.
Nh− vậy ta phải giải quyết hai vấn đề chính là :
- T−ơng quan giữa tạp âm bản thân và tạp âm toàn bộ ở đầu ra (hay tạp âm
đầu vào) của bộ phận.
- Vị trí vai trò của các bộ phận trong thiết bị ảnh hưởng thế nào đến tạp âm toàn bộ của thiết bị.
Các vấn đề trên đ−ợc giải quyết bằng các định nghĩa sau về hệ số tạp của một tầng và nhiều tầng.