Шум - беспорядочные колебания (флуктуации)разл. физ. природы, отличающиеся сложной временной и спектральной структурой.
В радиоэлектронике под Ш. принято понимать любые нежелательные возмущения, как
правило, аддитивно накладывающиеся на полезный сигнал и искажающие его передачу,
приём или индикацию. В зависимости от физ. природы Ш. подразделяются на акустические
и электрические.
Акустический шум. Источником акустич.
Ш. могут быть любые нежелательные механич. колебания в твёрдых, жидких и газообразных
средах. Различают механич. Ш., вызываемый вибрацией, соударениями твёрдых тел
(Ш. станков, машин и т. п.); аэро- или гидродинамич. Ш., возникающий в турбулентных
потоках газов или жидкостей в результате флуктуации давления (напр., Ш. в струе
реактивного двигателя); термодинамич. Ш., обусловленный флуктуациями плотности
газа (напр., в процессе горения), а также резким повышением давления (напр.,
при взрыве, электрич. разряде); кавитац. Ш., связанный с захлопыванием газовых
полостей и пузырьков в жидкостях (кавитаций). Акустич. Ш. (напр., авиац.
и ракетных двигателей) - источник НЧ-помех в работе радиоэлектронных устройств
и одна из причин нарушения их работоспособности. В ряде случаев акустич. Ш.
служит источником информации, т. е. выполняет роль сигнала. Так, по Ш. подводных
лодок и надводных судов осуществляют их пеленгацию; шумопо-добные сигналы используются
в радиоэлектронике для разл. измерений.
Электрический шум. К электрич. Ш. относятся
нежелательные возмущения токов, напряжений или напряжённо-стей эл--магн. полей
в радиоэлектронных устройствах. Различают Ш. регулярные (т. е. детерминированные,
предсказуемые) и флуктуационные (случайные, непредсказуемые). Примеры регулярных
Ш.- фон перем. тока цепей питания радиоэлектронных устройств; посторонние по
отношению к рассматриваемому устройству ВЧ-помехи. Примеры флуктуац. Ш.- электрич.
Ш., обусловленные неравномерной эмиссией электронов в эл--вакуумных приборах
(дробовой Ш.), неравномерностью процессов генерации и рекомбинации носителей
заряда в полупроводниковых приборах, тепловым движением носителей заряда в проводниках
(тепловой Ш.), тепловым излучением Земли, земной атмосферы, Солнца и т. д.
По положению источника Ш. относительно рассматриваемого
устройства электрич. Ш. подразделяются на внешние и внутренние (собственные).
По происхождению Ш. подразделяются на естественные и технические. Естеств'.
Ш. обусловлены дискретным строением вещества и статис-тич. характером протекающих
в нём явлений. К таким явлениям относятся тепловые движения носителей заряда,
процессы рекомбинации, ионизации, прохождение частиц через потенц. барьер и
т. п. Примеры естеств. Ш.: собственные тепловые флуктуации тока в проводниках;
тепловые флуктуации внеш. эл--магн. излучения, поступающего в антенну радиоприёмного
устройства; дробовой Ш. в электровакуумных приборах (ЭВП). В силу статистич.
характера процессов, порождающих естеств. Ш., такие Ш. принципиально неустранимы.
Техн. Ш.- следствие кон-структивно-технол. несовершенства радиоэлектронных устройств.
К таким Ш. относятся, напр., Ш. токорас-пределения в ЭВП, фон перем. тока цепей
питания, Ш. вторичной электронной эмиссии, контактные, вибрац. Ш. Вредное влияние
техн. Ш. на качество работы устройства может быть устранено или значительно
ослаблено конструктивными и технол. приёмами.
Наиб, важное значение в радиоэлектронике имеют
собств. флуктуац. Ш., определяющие шумовую температуру или шума коэффициент активных и пассивных четырёхполюсников. При наличии таких Ш. разл. физ.
величины (ток, разность потенциалов и др.) являются случайными процессами, т.
е. такими функциями времени x(t), значения к-рых при каждом ? случайны
(непредсказуемы). Неслучайная составляющая
процесса
x(t)получается статистич. усреднением x(t)по множеству возможных
х при
Разность
наз. флуктуацией величины x(t) или,
если
-полезный
сигнал, флуктуацион-ным Ш. Важнейшей энергетич. характеристикой флуктуац. Ш.,
необходимой при их теоретич. и эксперим. описании, является спектральная плотность
III., к-рая вводится след. образом. Пусть
-случайная
функция частоты w, связанная с
преобразованием
Фурье
- функция, комплексно сопряжённая 
.
Тогда спектральная плотность
флуктуациина
частоте w может быть определена из
равенства 
где
-дельта-функция
Дирака; горизонтальная черта над произведением
слева означает усреднение по множеству значений
К наиб. распространённым разновидностям естеств.
электрич. Ш. в радиоэлектронных устройствах относятся тепловой, дробовой и фликкерный
Ш. Тепловой Ш. в электрич. цепях обусловлен хаотическим тепловым движением носителей
заряда (электронов проводимости) в ме-таллич. проводниках. Тепловой III. приводит
к флуктуации напряжения U на зажимах проводника (двухполюсника). Эти
флуктуации представляют собой стационарный случайный процесс, подчиняющийся
Гаусса распределению. Спектральная плотность напряжения
теплового
Ш. связана с импедансом
двухполюсника
и его температурой T след, соотношением
(Найквиста формула):
где
k - постоянная Больцмана, Re - обозначение вещественной части комплексного
импеданса двухполюсника (т. е. его активного сопротивления). Хотя тепловой UI.
возникает только в элементах, обладающих активным сопротивлением, наличие реактивных
элементов в двухполюснике может изменить спектр флуктуации. Ф-лу Найквиста можно
применять к системам с распределёнными параметрами, если такую систему представить
эквивалентной квазистационарной цепью. Так, при расчёте собственных тепловых
Ш. в антенне (без учёта потерь) в ф-ле Найквиста под
понимают
сопротивление излучения, а под T-его
эфф. температуру. На практике вообще широко используется представление любого шумящего
двухполюсника в виде эквивалентного резистора с соответствующей ему шумовой
эдс и шумовой температурой или мощностью Ш.
Дробовой Ш.- специфич. и наиб. важный вид внутр.
естеств. III. в электронных приборах. В ЭВП он возникает на поверхности катода
вследствие статистич. характера эмиссии электронов и дискретности их заряда.
Спектральная плотность тока катода
дробового
Ш. при работе ЭВП в режиме насыщения определяется соотношением (Шоттки формула)
,
где е-заряд электрона, Iо - постоянная составляющая
тока. Спектр дробовых Ш. флуктуации анодного тока, обусловленных дробовым Ш.
тока катода, равномерен до весьма высоких значений частот (на к-рых становится
существенной конечность времени пролёта электрона от катода к аноду). В силу
теплового разброса скоростей эмитируемых электронов дробовой Ш. всегда сопровождается
флуктуациями не только тока, но и др. характеристик электронного потока. Электрич.
Ш., родственные дробовому Ш. в ЭВП, наблюдаются и в полупроводниковых приборах. В последних различают III., вызванные дрейфом носителей заряда, и Ш., вызванные
диффузией носителей заряда.
Фликкерный Ш. в ЭВП связан с неравномерным изменением
эмиссионной способности отд. участков поверхности катода вследствие неравномерного
изменения активности эмитирующего слоя (мерцания эффект), в полупроводниковых
приборах - с процессами генерации
и рекомбинации носителей заряда в приповерхностных
и приконтактных областях полупроводника или в оксидном слое на его поверхности,
происходящими на т. н. медленных центрах рекомбинации. Фликкерный Ш. относится
к НЧ-шумам; спектральная плотность тока фликкер-ного Ш. пропорциональна
,где
коэф.
(определяются экспериментально). Причины фликкерных
Ш. весьма сложны и разнообразны; их общая теория ещё не разработана (1990).
|
|
 |
