УДК 621.396.61

Расчет коэффициента шума полевых транзисторов

И так, закончив разработку раздела "Выбор направления и постановка задач проектирования" приступаем к разработке ледующего третьего раздела проекта - "Расчет коэффициента шума полевых транзисторов".

3.1 Постановка задач раздела "Расчет коэффициента шума полевых транзисторов"

Известно, что в справочной литературе по полевым транзисторам очень часто отсутствуют сведения по их шумовым характеристикам, например, таким как коэффициент шума. Сведения по коэффициенту шума необходимы для расчета шумовых характеристик проектируемых, как радиоприемных устройств, так и усилителей мощности радиопередающих устройств.

Целью данного раздела является:

3.2 Методика оценки шумовых параметров полевых транзисторов

Как любой активный полупроводниковый прибор, полевой транзистор характеризуется следующими основными параметрами , определяющими его шумовые характеристики [1]:

• проводимость канала для линейной области работы, определяемая по формуле (3.1):

1. Подготовка исходных (справочных) данных транзистора, для которого проводится расчет, и значений констант:
• температура окружающей среды T(К0)=273+t(С0);
• значение заряда электрона q=1,601•10-19 кл;
• постоянная Больцмана k=1,38•10-23 Дж/К;
• наименование и тип полевого транзистора;
•  рабочая частота , на которой определяются параметры, в мегагерцах;
• значение тока утечки затвора Iq=Iз или IGSS (Gate Source Leakage Current) для импортного транзистора;
• активная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте Re(Zвх) или ее проводимость Re(Yвх);
• реактивная составляющая входного сопротивления транзистора на рабочей частоте Im(Zвх) или ее проводимость Im(Yвх);
• паспортное (справочное) значение входной емкости транзистора Свх (Ciis для импортного транзистора);
• активная составляющая выходного сопротивления транзистора на рабочей частоте Re(Zвых) или ее проводимость Re(Yвых);
• реактивная составляющая выходного сопротивления транзистора на рабочей частоте Im(Zвых) или ее проводимость Im(Yвых);
• модуль выходного сопротивления транзистора (modZout)  или модуль выходной проводимости транзистора (modYout);
• крутизна в области насыщения gmsat, определяемая по выходным характеристикам транзистора или по активной составляющей g22.
  
2. Определение крутизны в области насыщения gmsat, если известно справочное значение (modYout), по формуле (3.4):

   (3.4),

иначе расчет по значениям Re(Yвых) и Im(Yвых) по формуле (3.4.1):

(3.4.1)

3. Определение параметра P1 по формуле (3.5):

   (3.5).

4. Определение спектральной плотности входного шума генераторов тока  и напряжения по формулам (3.6) [1]:

   (3.6).

5. Определение минимального значения коэффициента шума F0 по формуле (3.7) [1]:

   (3.7),
   которое достигается при внутреннем сопротивлении источника сигнала , определяемого по формуле (3.8) [1]:

   (3.8).

6. Определение проводимости генератора напряжения  источника шума Gni по формуле (3.9) [1]:

   (3.9).

7. Определение проводимости генератора тока  источника шума Gnv по формуле (3.10) [22]:

   (3.10).

8. Определение активной и реактивной составляющих корреляционной проводимости.

   В [1] отмечается, что активная составляющая корреляционной проводимости между шумовыми токами канала и затвора Gc и реактивная ее составляющая Bc определяются по формулам (3.11):

   (3.11).
9. Определение параметров источника сигнала (активной составляющей источника сигнала  и реактивной составляющей источника сигнала) для обеспечения условия шумового согласования  по формулам (3.12) [1]:

   (3.12).

10. Определение коэффициента шума F при заданных активной Gs0 и реактивной Bs0 составляющих выходного сопротивления генератора источника сигнала по формуле (3.13) [1] с учетом рассчитанного по формуле (3.7) значения F0:

    (3.13).

11. Минимизация полученного по формуле (3.13) значения FминGs по параметру Gs по формуле (3.14):

    (3.14).

3.3 Проверка методики расчета коэффициента шума полевых транзисторов

Расчеты проведены по формулам (3.1)…(3.14).
Перечень выбранных для расчета транзисторов и результаты расчета  приведены в таблице 3.1 в строках 1...10.

Таблица 3.1

В столбце 1 приведен список транзисторов, выбранных из [4] для расчета.
В столбце 2 приведены расчетные значения коэффициента шума Fр , вычисленные по формуле (3.13).
В столбце 3 приведены расчетные значения коэффициента шума , полученные по формуле (3.14) после минимизации функции F по параметру .
В столбце 4 приведены справочные данные коэффициентов шума , взятые из [43/4].
Погрешность вычисленного значения коэффициента шума ?F от значения, приводимого в справочнике [43/4] определялась по формуле (3.15):
  (3.15)

В строках 11…15 приведены результаты статистической обработки случайных отклонений по выборке размером, равным количеству выбранных типов транзисторов.
В результате расчета, проведенного в программе Microsoft Excel, получено значение доверительного интервала погрешности расчета, равное ±12%  с уровнем надежности 0,95.
Таким образом, предложенная методика оценки коэффициента шума имеет достаточно высокую точность расчета с погрешностью не превышающую ±12%, что вполне достаточно для проведения расчетов структурной схемы.

3.4 Расчет коэффициента шума полевых транзисторов, примененных в РПДУ

Оценка коэффициента шума полевых транзисторов проводится по разработанной выше методике.
Исходными данными для расчета являются параметры транзисторов, приводимые в справочных материалах (pdf файлах) [5…9].
Итоговые результаты расчета коэффициентов шума транзисторов, применяемых в усилительном тракте и их справочные значения коэффициентов усиления по мощности, приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2

Результаты расчета для транзисторов, применяемых в усилительном тракте РПДУ, выполненного в программе Microsoft Excel, приведены в таблицах 3.3…3.7.
В таблицах вводимые исходные данные выделены серым цветом.

Таблица 3.3

Таблица 3.4

Таблица 3.5

Таблица 3.6

Таблица 3.7

Как следует из таблицы 3.2, суммарный коэффициент усиления тракта передачи равен:

, что больше минимального значения коэффициента усиления тракта , необходимого для обеспечения заданной выходной мощности не менее 120 Вт при уровне входного сигнала с синтезатора не менее 0,1 В на нагрузке 50 Ом.
Полученный запас коэффициента усиления  может быть использован для компенсации потерь в ФДС и стабилизации мощности РПДУ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов.
Расчетные значения коэффициента шума не превышают значений, принятых при расчете структурной схемы и распределения шумов по каскадам, проведенном в предыдущих разделах проекта и не повлияют на полученные ранее результаты.

3.5 Выводы к разделу 3

Результатами работы по разделу 3 является:

1. разработана методика оценки коэффициента шума полевых транзисторов по справочным данным;
2. погрешность определения шумовых характеристик полевых транзисторов, рассчитанных по разработанной методике, не превышает ±12%;
3. по разработанной методике проведен расчет коэффициент шума транзисторов, применяемых в тракте РПДУ;
4. выявлено, что сделанные допущения по уровню коэффициента шума на этапе расчета структурной схемы, не вносят ошибки в определенные в разделе 2 параметры тракта РПДУ и не требуют их уточнения.