Тепловые шумы обусловлены беспорядочными перемещениями свободных носителей заряда в проводниках и полупроводниках, дробовые — дискретностью заряда носителей (электронов и "дырок") и случайным характером инжекции и экстракции их через p-n-переходы. Шум токораспределения вызывается флуктуациями распределения тока эмиттера на токи коллектора и базы. Все вышеперечисленные виды шумов имеют равномерный спектр.

Природа избыточных шумов до конца еще не выяснена. Обычно их связывают с флуктуациями состояния поверхности полупроводников. Спектральная плотность этих шумов обратно пропорциональна частоте, что послужило поводом для названия их шумами типа 1/f. Еще их называют фликкер-шумами, шумами мерцания и контактными шумами. Шумы типа 1/f сильно возрастают при дефектах в кристаллической решетке полупроводника.

Наиболее весомый вклад в мощность шумов усилительных элементов вносят тепловые шумы.

Шумы активных элементов можно представить в виде источника напряжения (рисунок 8.1а) или источника тока (рисунок 8.1б).

Рисунок 8.1. Эквивалентные схемы активного шумового сопротивления

Соответствующие значения ЭДС и тока этих источников следующие (см. подраздел 2.2):

где Δf — полоса рабочих частот; k=1,38·10^>-23 — постоянная Больцмана; T — температура в градусах Кельвина; R_>ш — шумовое сопротивление, G_>ш — шумовая проводимость, G_>ш=R_>ш^>-1.

Для стандартной температуры Т=290°K эти формулы можно упростить:

Спектральные плотности шумов по напряжению и току составляют [17]:

где

Любой активный элемент можно представить шумящим четырехполюсником (рисунок 8.2) и по данным формулам рассчитать его шумовые характеристики.

Рисунок 8.2. Шумящий четырехполюсник

В [16] приведены выражения для шумовых параметров БТ и ПТ нормированных спектральных плотностей шумов по напряжению R_>ш=F_>RU/4kT, по току G_>ш=F_>RI/4kT и взаимной спектральной плотности F_>ш, представляющих собой соответственно шумовое сопротивление, шумовую проводимость и взаимную спектральную плотность шумов.

Для БТ, включенного по схеме с ОЭ:

R_>ш = r_>б + 0,2I_>бr_>б^>2 + 0,02I_>кS_>0^>-2,

G_>ш = 0,2I_>б + 0,02I_>кg^>2S_>0^>-2,

F_>ш = 1 + 0,02I_>бr_>б + 0,02I_>кgS_>0^>-2,

где I_>б и I_>к в миллиамперах, g и S_>0 в миллисименсах. При учете фликкер-шумов для частот f≥10Гц в данных выражениях следует принять:

I'_>б = (1 + 500/f)I_>б,

I'_>к = (1 + 500/f)I_>к.

Для ПТ, включенного с ОИ:

R_>ш = 0,75/S_>0,

G_>ш = R_>шω²C²_>зи = 40R_>шf²C²_>зи,

F_>ш = 1 + ωC_>зиR_>ш = 1 + 6,28·C_>зиR_>ш.

Данные формулы применимы и для других схем включения транзисторов.

Полагая равномерным спектральные плотности шумов, согласно [16] можно получить выражение для коэффициента шума каскада:

F = (R_>г + R_>ш + G_>шR_>г + 2F_>шR_>г)/R_>г.

Исследуя это выражение на экстремум, определяем оптимальное сопротивление источника сигнала R_>г opt, при котором коэффициент шума каскада F минимален:

При этом в большинстве случаев оказывается, что R_>г opt не совпадает с R_>г, оптимальным с точки зрения получения необходимой f_>в каскада (R_>г opt>R_>г). Выходом из данной ситуации является включение между первым и вторым каскадами цепи противошумовой коррекции (рисунок 8.3).