ние носит название поверхностного флуктуа-ционного э ф ф е к т а или м е р ц а н и я катода.

Флуктуации токов лампы при значительном усилении прослушиваются на выходе громкоговорителя или телефона как равномерный шум, поэтому их принято называть собственными шумами электронной лампы. Собственные шумы определяют минимальную (пороговую) величину сигнала, при которой он еще не заглушается и может быть воспроизведен без искажений или обнаружен на фоне шумов. Повышение пороговой чувствительности приемных устройств, определяющей наряду с другими факторами дальность передачи информации, является одной из генеральных проблем современной техники, поэтому вопрос о собственных шумах электронных ламп, о методах их уменьшения представляет собой важную и актуальную задачу электроники.

Шумовые параметры электронных ламп а. Шумовой ток

Флуктуации можно рассматривать как переменную составляющую тока лампы, которую условимся называть ш у м о в ы м т о к о м. Поскольку флуктуации представляют собой случайный процесс, форма шумового тока непрерывно меняется и не является определенной. Неопределенны, следовательно, и амплитуда и частота шумового тока. Поэтому шумовой ток принято характеризовать квадратом действующего значения /щ - величиной, пропорциональной мощности флуктуации.

В диоде, находящемся в режиме насыщения, основным источником шума является дробовой эффект. Как показал Шоттки, квадрат действующего значения шумового тока диода в этом случае определяется следующим соотношением:

/а=2е/,Д/, (4.6)

где Ig - среднее значение тока эмиссии;

Л/ - полоса частот, в которой измеряется мощность шума.

Получить эту формулу можно с помощью известного из теории вероятностей соотношения между среднеквадратичным отклонением (п - По)2 случайной величины п от ее среднего значения щ:

(п-гео)*= о-

(4.6)

Пример что - число электронов, вылетающих из катода за некоторый интервал времени значительно больший, чем время пролета доаиода, а ге - среднее число электронов, вылетающих за это же время. Если ig - мгновенное значение тока эмиссии, а - его среднее значение, то

1е At

Тогда, исходя из соотношения (4.6), найдем, что (( -ТГ/ )2 !

Величина (i - /)* представляет собой квадрат действующего значения шумового тока /ш.а- Учитывая, что между длительностью импульса Д< и занимаемой им полосой частот Л/ может быть взято

приближенное соотношение ж 2д^> получим выражение (4.6):

Эта формула справедлива в диапазоне частот, для которых период колебаний значительно больше, чем время пролета электронов в лампе. Из нее следует, что энергия шума дробового эффекта равномерно распределена по частотному спектру и мощность шума прямо пропорциональна полосе частот, в которой этот шум измеряется.

Формула (4.6) имеет, как показали многочисленные исследования, высокую точность, поэтому диоды в режиме насыщения широко используются в качестве эталонных генераторов шума. Применяемые для этой цели лампы (2Д2С) называются шумовыми диодами. Они имеют катод, обладающий достаточно выраженным насыщением, и анод, способный рассеять значительную мощность.

В режиме пространственного заряда его поле ограничивает изменения анодного тока и они имеют меньшую величину, чем изменения тока эмиссии (рис. 4.10). Пусть в данный короткий отрезок времени число электронов, вылетевших из катода, возросло по сравнению со средним значением. При этом увеличатся пространственный заряд и минимум потенциала у катода, в результате лишь часть дополнительно вылетевших электронов преодолеет минимум потенциала и попадет на анод, а остальные возвратятся на катод. Следовательно, увеличение анодного тока будет меньшим, чем увеличение тока эмиссии. Если же

Рис. 4.10. Зависимость анодного тока от тока эмиссии

ИЗ катода вылетит-меньшее количество электронов, то минимум потенциала и пространственный заряд снизятся и большая часть вылетевших электронов пролетит на анод. Уменьшение анодного тока окажется меньшим, чем уменьшение тока эмиссии. Таким образом, в режиме пространственного заряда флуктуации анодного тока оказываются меньшими,

чем флуктуации тока эмиссии, т. е. шумы диода по сравнению с режимом насыщения снижаются:

/ш.а=2е/,

(4.7)

Величина р =

а/а

носит название к о э ф ф и-обычно лежит

циента депрессии шума и в пределах от 0,05 до 0,15. Она определяется следующим соотношением *:

Л= 1,29-.-5-. (4.7)

е /а

Если температура катода Т = 1000° К, то Л = 0,11-1- (S Male, /а ма).

Собственные шумы усилительных ламп можно характеризовать величиной шумового тока в анодной цепи. В частности, в триоде, работающем без сеточного тока, т. е. при отрицательном напряжении сетки, основной причиной шумов является, как и в диоде, дробовой эффект и величина шумового тока определяется выражением (4.7).

В лампах с экранирующей сеткой шумовой ток возни-

* А. В а и - д е р-3 и л. Флуктуации в радиотехнике и физике. Госэнергоиздат, 1958, стр. 68.

кает также, вследствие флуктуации токораспределения. Величина его определяется следующим выражением:

2 9a AZc2 Af

(4.8)

В теории вероятностей доказывается, что если из общего числа п случайных событий происходит в какой-либо форме А, а п^- в другой форме Б, то среднеквадратичное отклонение

п

(4.8)

Пусть п - число электронов, вылетевших из катода за время At, значительно большее времени пролета электронов до анода, Л- лектроиов, попадающих иа анод, а - на экранирующую сетку. Тогда

/ Д<

/02А'

/аА<

1ег М

( Л - л) = (а - /аУ* 7Г = 7 р 15-, и в соответствии с соотношением (4.8) получаем;

ш.р

нли, аналогично (4.6):

/3 ш. р

/а/с J

.2/-/iд/.

к

На низких частотах в лампах появляется шумовой ток, обусловленный поверхностным флуктуационным эффектом-мерцанием катода. Его величина определяется следующим эмпирическим соотношением:

где т = 0-1-2, л ж 1, - константа, определяемая экспериментально.

Шумы мерцания иа низких частотах значительно выше дробовых шумов и шумов токораспределения. Наибольшую величину они имеют у ламп с оксидным катодом.

б. Шумовое напряжение

Для практических целей удобно пересчитывать шумы усилительных ламп в цепь сетки, так как при этом их можно непосредственно сравнивать с подаваемым на сетку напряжением сигнала. При пересчете шумов лампы из анодной цепи в сеточную принимаехся, что шумовой ток в анодноЯ цепи /щ.а вызывается шумовым напряжением С/., действующим в цепи управляю-laju щей сетки (рис. 4.П, а):

/ш* а SUtji.Q,

Величина

i/u..c = -% (4.9)

называется шумовым напряжением лампы, приведенным к сет-к е. Чем выше крутизна S, тем меньше шумовое напряжение Цш.С, тем выше пороговая чувствительность лампы.

Для триода, работающего без сеточного тока, использовав (4.7), получим:

1аш liju

Рис. 4.11. Усилительная лампа: C-G источником шумового напряжения; б-с шумовым сопротивлением

у 2е/а А/Г S

(4.10)

Отсюда вытекает, что шумовое напряжение неоднозначно характеризует свойства Лампы, так как оно зависит от полосы частот А/ в которой измеряется шум. Поэтому для оценки шумовых свойств лампы применяют удельное шумовое напряжение:

г/ Lm. с

(4.11)

которое, как следует из (4.10), не зависит от полосы частот А/. В триодах, работающих без сеточного тока, Um с = = 0,03 -г- 0,25 мкв1кщ 1, а в пентодах i/, == 0,06-0,45 мкв/кгц^1,т. е. выше, чем в триодах, что объясняется наличием в пентодах шумов токораспределения. Еще выше уровень шумов в тетродах из-за динатронного эффекта.

В частотопреобразовательных лампах напряжение шума доходит до 8-10 мкв/кгц' вследствие более высоких шумов токораспределения (две экранирующие сетки), а также вследствие того, что пересчитанное в цепь сетки напряжение шума в данном случае определяется крутизной преобразования S p, которая всегда меньше S (§4.1).

в. Шумовое сопротивление

Хаотическое тепловое даижение электронов в проводниках обусловливает постоянное существование флуктуа-ционного напряжения на зажимах любого активного сопротивления R. Величина этого шумового напряжения определяется формулой Найквиста *:

UU = 4kTRAf.

(4.12)

Энергия тепловых шумов сопротивлений имеет равномерное распределение по частотному диапазону, как и шумы дробового эффекта. Поэтому шумы усилительных ламп часто характеризуют величиной сопротивления R, имеющего напряжение шумов и^ц, равное напряжению шумов лампы UuiH = и01.с, т. е.

Ul., = AkTR

(4.13)

Величина R носит название шумового сопротивления лампы. Будучи включенным в цепь сетки идеальной (нешумящей) лампы (рис. 4.11, б), оно создает на выходе ее такой же шум, как в реальной лампе.

Условились считать, что шумовое сопротивление лампы /?п, имеет температуру Т = 293° К. Тогда из (4.13) получим:

ш = -Й^ = 64/ш.=. (4.14)

где R измеряется в ком, а i/ш.с - в мкв1кгц^*.

Шумовое сопротивление отечественных триодов лежит в пределах от 0,1 до 3,5 ком, а пентодов - от 0,25 до 12 ком.

* А. В а н-д е р -3 и л. Флуктуации в радиотехнике и физике Госэнергоиздат, 1958, стр. 13.