Шумы электронных ламп

Дискретная природа электрического тока проявляется в электронных лампах в виде шумов дробового эффекта. Анодный ток не является непрерывным, а слагается из огромного числа элементарных импульсов тока: каждый приходящий на анод электрон вызывает появление в анодной цени элементарного импульса тока. Поскольку длительность каждого элементарного импульса очень мала, спектр дробового шума (рис. 1.28, зависимость I) чрезвычайно широк и от частоты практически не зависит (по крайней мере, в диапазоне от 0 до 109 Гц).

Дробовые шумы усилительных электронных ламп принято выражать через эффективное значение тока шума в анодной цепи.

или через эффективное шумовое напряжение,.

которое считается приложенным к управляющей сетке данной лампы в предположении, что эта лампа идеальная и сама шумов не вносит. В этих выражениях А_л — постоянная, равная для триода 0,22−0,24; 5 — крутизна анодно-сеточной характеристики.

Исследования показывают, что дробовые и тепловые шумы, отличающиеся друг от друга, но происхождению, имеют одинаковые статистические характеристики и могут быть выражены одними и теми же формулами, но с разными коэффициентами. Это позволяет представить электронную лампу в виде некоторого эквивалентного сопротивления R"" подключенного к управляющей сетке идеальной, не шумящей лампы.

Эквивалентное шумовое сопротивление триодов зависит от режима работы: чем больше крутизна характеристики и следовательно, больше анодный ток, тем меньше дробовые шумы. Это справедливо при работе в режиме пространственного заряда, когда не все электроны, эмитированные катодом, уходят к аноду. При работе в режиме насыщения анодного тока дробовые шумы могут увеличиться в несколько раз.

Дробовые шумы многосеточных ламп в несколько раз выше, чем шумы триодов. Это объясняется, в первую очередь, флюктуациями коэффициента распределения анодного тока между отдельными сетками. Дробовые шумы лучших триодов оцениваются эквивалентным шумовым сопротивлением R_m = 50−100 Ом.

На звуковых и инфразвуковых частотах в лампах наблюдаются шумы эффекта мерцания (фликкер-шумы), которые значительно превышают дробовые шумы. Основная причина шумов эффекта мерцания — несовершенство обработки поверхности катода, проявляющееся в том, что эмиссионная способность различных его участков различна и непостоянна во времени. В результате этого анодный ток, даже при строго постоянном напряжении на управляющей сетке, сравнительно медленно изменяется около своего среднего значения.

Эти изменения наиболее интенсивно происходят на частотах в десятые-сотые доли герца и поэтому проявляются лишь в области низких частот (рис. 1.28, кривая II).

Шумы эффекта мерцания могут быть определены как.

где = const; сх = 0,1—2;р = 1—2;/" — ток; / — частота; Д/ — полоса пропускания.

Эффект мерцания проявляется тем сильнее, чем больший ток отбирается с поверхности катода. Поэтому усилительные лампы, используемые в первых каскадах усилителей напряжений звуковых и инфразвуковых частот, работают при малых анодных токах и низких анодных напряжениях. Кроме того, в электронных лампах возникают шумы в результате флюктуации ионного сеточного тока (поскольку в баллоне электронных ламп неизбежно остается некоторое количество воздуха, молекулы которого при работе лампы ионизируются), для снижения которых надо уменьшать отрицательное напряжение на сетке.

В электронных лампах также наблюдаются вибрационные шумы, вызванные колебаниями электродов. Особенно значимо при этом изменение промежутка катод-сетка, так как он обычно мал и может доходить до 10−20 мкм. Поэтому малейшее колебание сетки приводит к изменению анодного тока. Основные меры борьбы с вибрационными шумами: амортизация усилителей и применение нувисторов — ламп с металлокерамическими баллонами, обладающими сверхжесткой конструкцией всех электродов.

Коэффициент шума современных электронных ламп обычно не превышает 2−3 дБ.

Рис. 1.28. Спектры дробового шума (I) и фликкер-шума (II).