Перейти к содержанию

Дробовой шум

Ток через переход — не ровная струя, а поток отдельных электронов, пересекающих барьер в случайные моменты. Из-за этой «дробности» в токе всегда есть шум, и чем меньше ток, тем заметнее он относительно сигнала.

Обновлено Редакция GAW

Дробовой шум (shot noise) — флуктуации тока, которые возникают из-за того, что ток состоит из отдельных зарядов, пересекающих потенциальный барьер — например, p-n переход — в случайные моменты времени. Он есть только при протекании тока, не зависит от температуры и, как тепловой шум, белый по спектру (TI SLOD006B, разд. 10.3.1). СКЗ шумового тока при прямом смещении перехода:

Ish=2qIdcBI_{sh} = \sqrt{2 q I_{dc} B}

где q = 1,6·10⁻¹⁹ Кл — заряд электрона, Idc — постоянный ток, B — полоса.

Сколько это

Плотность шумового тока растёт как корень из тока: 17,9 пА/√Гц при 1 мА, 0,57 пА/√Гц при 1 мкА (наш расчёт). В относительной мере при малом токе шум заметнее: при уменьшении тока в 100 раз сигнал падает в 100 раз, а дробовой шум — только в 10.

Протекая через дифференциальное сопротивление перехода kT/(qIdc), этот ток создаёт шумовое напряжение

Esh=kTq2qBIdcE_{sh} = \frac{kT}{q}\sqrt{\frac{2qB}{I_{dc}}}

Пример TI: переход с током 1 мА в звуковой полосе 20 Гц…20 кГц даёт 65 нВ, или −144 дБВ (SLOD006B, разд. 10.3.1). Напряжение обратно пропорционально √Idc, и на этом TI строит проверку: если уменьшить ток в 100 раз и шум вырастет в 10 раз, доминирует дробовой шум.

Где он важен

  • Входы ОУ. Входной ток биполярного транзистора — ток базы — несёт дробовой шум, поэтому у биполярных ОУ шум тока iₙ заметно больше: 0,7 пА/√Гц у NE5532 на 1 кГц против 80 фА/√Гц у TL072H с полевым входом (TI SLOS075K и SLOS080W). С высокоомным источником этот шум, умноженный на сопротивление, становится главным. Связь с входным током смещения прямая: чем он больше, тем больше и шум тока.
  • Фотоприёмники. Ток фотодиода — поток фотоэлектронов, и его дробовой шум задаёт предел чувствительности трансимпедансного усилителя при ярком свете. Для фототока 1 мкА шум — около 0,57 пА/√Гц (наш расчёт).
  • Опорные источники и диоды. Любой переход с током шумит; переход в обратном пробое — ещё и лавинным шумом, который TI называет намного более сильным, чем дробовой (SLOD006B, разд. 10.3.5).

Как дробовой шум складывается с тепловым и шумом ОУ в реальном каскаде — в статье «Шумы в электронике».

Частые вопросы

Чем дробовой шум отличается от теплового?

Тепловой шум есть в любом сопротивлении всегда и растёт с температурой. Дробовой возникает только при протекании тока через потенциальный барьер — p-n переход, вакуумный промежуток, — и от температуры не зависит. Оба белые по спектру, и в одной схеме их складывают как корень из суммы квадратов.

Почему у биполярных ОУ шум тока больше, чем у ОУ с полевым входом?

Входной ток биполярного транзистора — ток базы, и он несёт свой дробовой шум. У NE5532 шум тока — 0,7 пА/√Гц на 1 кГц, у TL072H с полевыми транзисторами на входе — 80 фА/√Гц, почти в 9 раз меньше. Поэтому с высокоомным источником выгоднее ОУ с полевым входом.

Как понять, что в схеме доминирует дробовой шум?

TI предлагает простую проверку: уменьшить ток через переход в 100 раз. Напряжение дробового шума обратно пропорционально корню из тока, поэтому, если доминирует он, шум вырастет в 10 раз. Если шум почти не изменился, главный источник другой.

Источники

  1. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference (SLOD006B), chapter 10: Op Amp Noise Theory and Applications — разд. 10.3.1: дробовой шум — от того, что ток состоит из отдельных зарядов, пересекающих потенциальный барьер в случайные моменты; есть только при протекании тока, не зависит от температуры, белый; Ish = √(2qIdcB), q = 1,6·10⁻¹⁹ Кл; через дифференциальное сопротивление перехода kT/(qIdc) создаёт напряжение Esh = (kT/q)·√(2qB/Idc); пример: переход с током 1 мА в полосе 20 Гц…20 кГц — 65 нВ, −144 дБВ; напряжение дробового шума обратно пропорционально √Idc; проверка: уменьшить ток в 100 раз — шум, если он дробовой, вырастет в 10 раз
  2. Texas Instruments. NE5532x, SA5532x Dual Low-Noise Operational Amplifiers (SLOS075K, revised December 2025) — разд. 5.6: шум тока 0,7 пА/√Гц на 1 кГц у биполярного входа; для сравнения TL072H (SLOS080W) — 80 фА/√Гц у полевого входа

Нашли ошибку?

Смотрите также