CC BY
13
6. Турчин, П.П. Импульсные автоматизированные измерения скоростей упругих волн в кристаллах [Текст] / П.П.Турчинов, А.А. Парфенов, Н.А. Токарев, А.Е. Нестеров, А.Ю. Тарасова, К.С. Александров. Ползуновский вестник, Барнаул, № 3/1, 2011, С.143-147.
7. www.stanford.edu/class/ee133/datasheets/SA612A.pdf.
8. www.cims.bsu.by/files/B-421.pdf.
Abstract
On the basis of the echo-pulse method an automated experimental device was designed for measuring the velocity of the propagation and attenuation of the elastic waves of small amplitude in single crystals in wide temperature ranges. The method of reducing the level of excitation of ultrasonic vibrations of voltage up to 1V with simultaneous increase of sensitivity of the receiving channel by reducing the residual circuit vibration was designed. The high-frequency filling of the pulses is provided by a frequency synthesizer, which generates the electric oscillations in the range 4,5-80 MHz. The main resonance frequency for a given transducer constitutes 9.75 MHz. The measurement of the attenuation of ultrasound in crystals is carried out by the logarithmic intensifier-detector, assembled on the microcircuit AD 8310, which retains the necessary characteristics in the range of operating frequencies 0-440 MHz. The precision measurement of the change of the propagation velocities of ultrasonic waves in crystals is realized by a phase shift of the filling high-frequency oscillations between the probe and reflected pulses.
The examples of the ultrasound propagation experiment of such semiconductor materials as CdSb, Bi2Te3, GaSe are given
Keywords: echo-pulse method, automated measurements, elasticity, single crystals, phase shift
□
В данш роботi запропоновано спо-Ыб, який дозволяв на етат ехидного та вихидного контролю за рiвнем низько-частотного шуму, додатково прово-дити оцтку шумових характеристик бтолярних транзисторiв в областi середтх частот
Ключовi слова: бтолярний транзистор, контроль, власш шуми □-□
В данной работе предложен способ, позволяющий на этапе входного и выходного контроля по уровню низкочастотного шума, дополнительно проводить оценку шумовых характеристик биполярных транзисторов в области средних частот
Ключевые слова: биполярный транзистор, контроль, собственные шумы -□ □-
УДК 621.315.592
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ШУМОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК Б1ПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В ОБЛАСТ1 СЕРЕДН1Х ЧАСТОТ
Д.В. Михалевський
Старший викладач, кандидат техшчних наук Кафедра телекомункацтних систем i телебачення Вшницький нацюнальний техшчний уыверситет Хмельницьке шосе, 95, м. Вшниця, УкраТна, 21021 Контактний тел.: 096-303-06-02 E-mail: adotq@ukr.net
1. Вступ
При проектуванш та виготовленш нових виробiв електронно1 техшки (ВЕТ), а також пристро1в на ix базi потрiбно враховувати рiзнi фактори: шумовi пара-метри, електричш характеристики, вплив паразитних зв'язюв, температурш характеристики i т. ш. Визна-чення шумових характеристик може надати певну шформащю про стан того чи шшого електронного ви-робу. Наприклад, ВЕТ, що використовуються у високо-
яюснш приймально-передавальнш апаратурi повинш мати якомога нижчий коефвдент власних шумiв.
2. Аналiз останшх дослщжень
В роботах [1,2] проводились дослвдження шформа-тивного параметра виробiв електронноi техшки (ВЕТ) для операцш вхщного та вихщного контролю за рiв-нем низькочастотного шуму, для бшолярних структур.
уз
©
Особливштю такого контролю е те, що iнформативний параметр дослiджуеться в обмеженш частотнiй об-ластi, а саме де спостертеться суттевий прояв флжер шуму. Такi дослiдження дають змогу оцшювати рiвень власних шумiв тшьки для низькочастотно! областi, але як показуе практика iз-за недосконалостi техноло-гiчних процесiв iснуе iмовiрнiсть отримання готових промислових ВЕТ i3 тдвищеним рiвнем шуму в обла-CTi частот, де флiкер шуми не проявляються.
3. Постановка завдання
Для тдвищення ефективностi вхiдного та вихщно-го контролю за рiвнем низькочастотного шуму, постае завдання додатково проводити ощнку шформатив-ного параметра в обласп середнiх частот, для ощнки ВЕТ iз низькими шумовими характеристиками, для використання, наприклад, у високояюсних приймаль-но-передавальних засобах передачi шформацп. Це дае можливiсть об'еднати операци контролю натвпро-вiдниковоi структури, та визначення рiвня власних шумiв виробiв у широкому дiапазонi частот.
1нше джерело - дробовий шум. Вш е постiйною величиною та обумовлений флуктуащями певного числа носiiв заряду за певний момент часу. Його можна записати так:
i2 = 2qIAf ,
де q - заряд електрона; I - постшний струм через р-п перехщ.
Рiзновидом такого виду шуму е шум струмового розподшу, який виникае вщ випадкового розподiлу носив заряду при наявноси двох i бiльше p-n-переходiв у структурi ВЕТ. У випадку бшолярних транзисторiв це означае, що носи заряду емггерно! обласп можуть рекомбiнувати у базовш або колекторнiй, iз певною iмовiрнiстю. Таким чином, дробовий шум подшяеться на два незалежнi джерела шуму емиерно! областi та колекторно!:
i2 = X2qIAf , iK = (1 -X)2qIAf ,
4. Основна частина
Контроль ВЕТ за рiвнем власних шумiв передбачае виконання двох операцш таких як, оцiнка шформа-тивного параметра та порiвняння його iз наперед за-даним еталоном [3].
В даному випадку це еквiвалентна шумова напруга, характер прояву яко! у всш частотнiй обласп можна роздiлити на три частини, як показано на рис. 1.
Рис. 1. Вибiр шумового дiапазону
Як видно iз наведеного рисунку шуми на середшх частотах можна умовно видшити в дiапазон ( ^ , ). Для операцiй контролю можна припустити, що для цього дiапазону ва джерела шумiв е незалежними, i некорельованими. Таким чином, можна видшити ча-стотонезалежнi джерела шумiв, якi обумовленнi дро-бовими та тепловими шумами [4]. Розглянемо 1х.
Тепловий шум - шум який виникае у будь-якому провщнику iз-за наявност хаотичного руху носiiв заряду, та залежить вщ величини опору. Його виражають за формулою Найквшта, наступним чином
е2 = 4кТгД ,
де к - постшна Больцмана; Т - температура резистора; Я - отр; Дf - ширина смуги дослiджуваних частот.
де X - iмовiрнiсть рекомбiнацii носив в базовш об-ластi
Враховуючи [1], еквiвалентну шумову модель бь полярного транзистора, для областi середшх частот, можна записати так, як показано на рис. 2.
Рис. 2. Шумова модель бтолярного транзистора для обласп середшх частот
Наведена модель мштить в собi джерела е2 , е2к , як е тепловими шумами бази i колектора вщповщно, що мають однакову природу, та джерела шумового струму ^ , ^ - дробовий шум бази i колектора для транзистора iз коефiцiентом передачi по струму в .
З урахуванням [1,2] вирази для еквiвалентноi шу-мовоi напруги i струму на виходi можна записати так:
¡2 + jlr2 + i2(rt + Г5ф +1))2 + еКСГ! + г5(Р +1) + Рг4)2
Т 11I1 Т ^ о I
22
к
Р2г,
i = i +
в2
При оцiнцi шформативного параметра, для ВЕТ за-дають вiдповiдний режим роботи, а також при визна-ченнi виробiв iз низьким рiвнем власного шуму, додатково, на входi вимiрювача будуть мати мкце складовi теплового шуму елеменив схеми вмикання i вплив зворотшх зв'язкiв. Це призводить до виникнення по-хибки при оцшщ iнформативного параметра. Тому для
2
2
тдвищення в1ропдност1 контролю, для транзистор1в вв1мкнених за схемою стльний емггер, використовую-чи постановку математичних опис1в шумових джерел, середньоквадратичне значення шумово! напруги на виход1 дослщжувано'! схеми можна записати так:
и2 = 4кШ
+с2г6+
R5R42R32
(R5 + В)2^3 + R4)2
Я43(Я5 + Я3)2
(Я3Я5 + Я4(Я3 + Я5))2
4кТгк ДГ(г6 + геф +1)+Рг6)2
визначимо щ гранищ. Як видно 1з рис. 1, на гранищ f2 1 вище починають проявлятись процеси, як1 пов'язаш 1з шумовими джерелами колекторного переходу транзистора, та мають нелшшну характеристику, в результат! чого коефщ1ент тдсилення транзистора зменшу-еться. Тому верхнш д1апазон обмежимо частотою на якш спостер1гаеться тдвищення коефщ1ента шуму у два рази. Використовуючи формулу Шльсена [5], та виконуючи перетворення, верхню граничну частоту f2 можна записати так:
2„2 к
Р2г»
f = f
12 Ч)
2Кш -1 -r6/Rг -г.^ -Р
Р(1 + Р)
+2qAf
Г2Т 2 + С2 ^к(гб + Ге(в + 1))2 Г ТбГб + Г р2
(Я5 + Я4)
+ Т1А2 +
ТкА'
2
де f0 - гранична частота роботи транзистора, Кш коефщ1ент шуму транзистора;
де А =
Я3 +
Я4Я5 Я4 + Я5
Я5
В =
Я4Я3 Я4 + Я3 '
D =
(Г + Г + Rг)2 2^Р
С =
(Я3(Я4 + Я5) + Я5(Я3 + Я4)) Я4(Я3 + Я4 + Я5)
Я5Я3(Я3 + Я4)(Я4 + Я5)
Як видно 1з наведених формул, р1вень власних шум1в бшолярного транзистора е2 та р1вень шуму 1з врахуванням режиму роботи ВЕТ и^, е р1вном1рним 1 не залежить в1д частоти. Тому дослвдимо, як змшюва-тиметься р1вень шуму в1д дестабШзуючих фактор1в, таких як змша струму на колектор1 1 баз1, та змша вну-тр1шшх параметр1в транзистора (наприклад отр бази в середньому становить 100 Ом, для малошумлячих може становити б1ля 10 Ом). Результати дослщжень наведено на рис. 3.
Осюльки наведена на рис. 2 екв1валентна шумова модель справедлива для д1апазону частот ( f1, f2 ), то
Для знаходження нижньо! частотно! гранищ ^, припустимо, що шнуе точка на_рис. 1, де сума частото-залежних шумових джерел е^ е р1вною сум1 частото-незалежних джерел е|:х . Тод1 сумарний шум в данш точщ становитиме:
•+ е:
= 2е2 = 2е2
Таким чином частота на якш виникне р1вшсть
2 2
шумових напруг е. х = ef х можна вважати нижньою ме-жею частотного д1апазону даних дослвджень. Для б1-полярних транзистор1в, тсля проведення ввдповщних перетворень можна прийти до наступного виразу:
1 =
к{ 12 ((Гб + Ге (в +1) + вГ )2 / Г + (Г + Гк )2 (в +1)2 + О 4кТг6р2 + 2qIK(Гбв(в +1) + (Гб + Ге(в ■+1))2)
а)
400 б)
в)
— г) _
Рис. 3. Залежшсть е^валентноТ шумовоТ напруги (для иш крива 1, для е2 крива 2) вщ: а) змiни опору бази; б) змши опору ем^ера; в) змiни струму колектора; г) змши струму
бази
де К - коеф1щент, який залежить в1д стану поверхш 1 характеризу-еться сильним розкидом значень для р1зних при-стро'!в.
Проведемо дослщжен-ня отриманих вираз1в для 1, та f1 на змшу дестабШ-зуючих фактор1в таких як отр бази г1 та коеф1щент передач1 по струму транзистора Р. Дашпараметри вибраш 1з м1ркувань, що найменший коефщ1ент шуму транзистора дося-гаеться при мш1мальних значеннях опору бази та максимального коеф1щен-та передач1 по струму. На практищ виконання цих умов неможливе, тому при виготовленш бшолярних транзистор1в завжди ви-ршуеться компром1с. Результати дослщжень наведено на рис. 4.
+
+
в
22 е2 = е2
х
ся верхньо1 границ1 частотного д1апазону f2. Для нижньо1 границ! частот суттев1 змши спо-стеркаються т1льки для низь-кошумлячих транзистор1в.
5. Висновки
б
Рис. 4. Залежнють змiни граничних частот f2 та f вiд: а) опору бази; б) коефщieнта
передачi по струму
Як видно i3 наведених графтв, можна сказати що, для бшолярних транзисторiв рiзних типiв, дослвджува-ний дiапазон буде вiдрiзнятись. Найбшьше це стосуеть-
Отже в данш роботi проведено аналiз шумових характеристик бшолярних транзи-сторiв для областi середнiх частот, а також проведено до-слiдження впливу дестабШзу-ючих факторiв, що дае змогу визначати оптимальш умови режимiв роботи, для оцiнки iн-формативного параметра, при технолопчних процесах вхвд-ного та вихвдного контролю за рiвнем власних шумiв.
Для еквiвалентноi шумовоi моделi було визначено гранич-нi частоти та ^, в межах яких вона е справедливою. Крiм цього було дослвджено вплив внутршшх характеристик транзистора на '¿х змiну.
Лiтература
1. Михалевський, Д.В. Оцшка якостi штегральних транзисторiв за допомогою низькочастоних шумiв [Текст] / Д.В.Михалевський,
В.М. Кичак, В.В. Стронський // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технолопчних процессах. - 2005. - №2. - С. 177-181.
2. Михалевський, Д.В. Математична шумова модель штегральних операцшних пiдсилювачiв для прогнозування надiйностi за рiвнем
низькочастотного шуму [Текст] / В.М. Кичак, Д.В. Михалевський // Вюник Вшницького полiтехнiчного iнституту. - 2008. - №3. - С. 102-108.
3. Денда, В. Шум как источник информации [Текст] / В. Денда. - Пер. ДДЗ с нем. - М.: Мир, 1993. -192с.
4. Михалевський, Д.В. Метод безпосереднього прогнозування надшносп виробiв електронно! техшки за рiвнем НЧ шуму [Текст] / Д.
В. Михалевський, В.М. Кичак // Вим1рювальна та обчислювальна техшка в технолопчних процесах. - 2008. - № 1. - С. 196-203.
5. Жалуд, В. Шумы в полупроводниковых устройствах. Под ред. А. К. Нарышкина. Совместное советско-чешское издание [Текст] / В.
Жалуд, В. Н. Кулешов. - М.: Советское радио, 1977. - 416 с.
Abstract
The article analyzes the noise characteristics of bipolar transistors for the medium-frequency range and suggests a method, which allows the additional evaluation of the characteristics of the bipolar transistors in the medium-frequency range at the stages of input and output control according to the level of the low-frequency noise.
All noise range was divided into three subranges with the division points f1 and f2. The equivalent noise model, which takes into account the thermal and fractional noises, as well as the change of the transistor modes during a checkout, was suggested for the range (f1, f2).
The research has shown that the studied range would vary for the bipolar transistors of different types. It concerns, particularly, the upper limit of the frequency range f2. For the lower limit of the frequency, the significant changes are observed only in the low-noise transistors
Keywords: bipolar transistor, control, self-noise
