Электрические помехи, флуктуации и шумы

Рассмотрим теперь электрические флуктуации, которые являются следствием дискретной природы электричества и хаотичности движения или случайности появления элементарных носителей электричества – электронов, ионов, дырок. Эти флуктуации приводят к флуктуациям следующих значений электрических величин:

- заряда (количества электричества),

- силы тока,

- напряжения (э.д.с.),

- сопротивления и проводимости,

- вектора поляризации, который приводит к флуктуациям значения диэлектрической проницаемости среды,

- вектора намагничивания, который приводит к флуктуациям значения магнитной проницаемости среды.

Они проявляются в виде помех при большом усилении или высокочувствительном приеме слабых электро-, радио-, телесигналов. По аналогии с акустическими помехами, которые можно слышать в громкоговорителе, электрические флуктуации называют электрическим шумом, даже если никакого звука они не производят.

Следует, однако, указать, что инженерное понимание электрического шума шире физического понимания электрических флуктуаций, так как термином «электрический шум» объединяются все помехи электрического происхождения. Электрические шумы можно разделить на две группы:

- естественные или фундаментальные, которые порождаются физическими процессами и описываются законами статистической физики; они принципиально неустранимы. Их еще можно назвать внутренними шумами, поскольку они зарождаются внутри электрических и даже неэлектрических элементов приборов;

- искусственные, которые порождаются созданными человеком устройствами и потому устранимы; их и называют собственно помехами.

Помехи могут выступать в виде:

- радиопомех, порождаемых работающими радиостанциями и телевизионными передающими станциями;

- индустриальных помех, создаваемых в высокочувствительных измерительных или приемно-усилительных устройствах, близко расположенных к электроэнергетическим и электросиловым установкам и питающихся от общей с ними сети;

- наводок, обусловленных паразитными связями между элементами или функциональными узлами одного устройства или системы, что и вызвало появление проблемы электромагнитной совместимости этих устройств.

Как правило, частотный спектр естественных шумов значительно шире частотного спектра помех. Последние проявляют себя, в основном, в виде сигналов на отдельных частотах.

Шумы представляют собой важную проблему в науке и технике, поскольку они определяют нижние пределы, как в отношении точности любых СИ, так и в отношении величины сигналов, которые могут быть обработаны средствами электроники. Для того чтобы определить эти пределы, необходимо:

- знать интенсивность имеющихся источников шума;

- уметь минимизировать отношение шума к сигналу при любом методе измерений и в любых устройствах обработки сигналов;

- научиться просто и точно измерять эти шумы.

Электрические флуктуации (шумы) можно разделить на следующие основные виды:

Тепловой шум или тепловые электрические флуктуации – это минимальный шум, который присутствует в любых системах, в том числе, в системах, в которых отсутствуют источники энергии. Этот шум имеет еще одно название – “равновесный шум”, которое характеризует его природу. Важно отметить, что в особо чувствительных приборах с механическими чувствительными элементами источник теплового шума, ограничивающий точность, может быть неэлектрического происхождения (механические флуктуации).

Все остальные (нетепловые) виды шумов возникают в системах, содержащих источники энергии, и связаны с прохождением тока, их интенсивность пропорциональна току. Эти шумы называют неравновесными, поскольку для их поддержания необходимо наличие электрического тока, для чего требуются дополнительные источники энергии. Как правило, неравновесные шумы являются дополнительными к равновесному шуму и существенно превосходят его по интенсивности. К таким шумам относятся:

- дробовой шум;

- генерационно-рекомбинационный шум;

- 1/ f - шум;

- импульсный или взрывной шум.

К отдельным источникам электрических шумов относят: реликтовое космическое излучение(электромагнитное излучение, свойства которого аналогичны свойствам излучения абсолютно черного тела с температурой Т» 3⁰ К и максимум интенсивности которого приходится на длину волны l»1мм. Это излучение было открыто в 1965 г. Пензиасом и Вилсоном), шум космической плазмы и атмосферный шум, которые радиоастрономами рассматривается как естественный, так как порождается макросистемами космического масштаба (атмосферой Земли, Солнцем, другими планетами и звездами, созвездиями и туманностями, галактиками). Последние два шума проявляют себя как радиопомехи, имеющие широкий и сложный линейчатый спектр с огромной разницей по интенсивности отдельных составляющих.

Физика внутренних неравновесных электрических шумов

Дробовой шум

В электронной лампе акты вылета электронов с катода или попадания их на анод образуют последовательность независимых событий, происходящих в случайные моменты времени. Поэтому ток I (t), протекающий через нее, флуктуирует. То же самое происходит в транзисторе или полупроводниковом диоде, так как пролет носителей через потенциальные барьеры осуществляется независимо в случайные моменты времени. Это явление и называют дробовым шумом. Таким образом, специфическая особенность дробового шума – физическое разделение двух областей: области, где случайно рождаются носители тока (катод, эмиттер или база), и области, где они взаимодействуют с внешним электрическим полем.

Этот вид шумов вызван дискретной природой носителей заряда. Точно так же, если по проводнику течет постоянный ток, то среднее число носителей заряда, протекающее по нему в единицу времени, постоянно. В то же время в каждый момент времени число носителей заряда статистически изменяется. Это вызывает флуктуации тока. Такое явление называют дробовым эффектом по аналогии с ударами дроби, падающей на металлическую пластину.

Теоретический анализ дробового шума был проведен У.Шотки в 1918 г. Он показал, что если спектральная плотность квадрата этого тока равна , то для интервала частот от f до f + D f эффективный шумовой ток определится формулой , где I ₀ – среднее значение тока (сравните этот случай со случаем шумового фототока, рассмотренного выше).

При низких частотах спектральная плотность тока постоянна »const и эффективный шумовой ток не зависит от частоты (является белым шумом). Эффективный шумовой ток пропорционален величине среднего тока и не зависит от температуры окружающей среды.