Szumy są to wszelkie niepożądane zmiany wielkości fizycznych zakłócające proces obserwacji. Stosując różne kryteria podziału , rozróżnia się szum : przemysłowy ,naturalny ,akustyczny ,elektryczny ,kosmiczny , impulsowy ,tłowy ,własny itp. Każdy szum ma cechy sygnału losowego , podlega więc opisowi statystycznemu stosowanemu przy analizie wszystkich procesów stochastycznych .

Szumem elektrycznym - w najszerszym znaczeniu tego pojęcia -nazywa się wszystkie niepożądane składniki występujące w sygnale elektrycznym . Przyczyną ich pojawienia się mogą być : zakłócenia pochodzące od zewnętrznych pól elektromagnetycznych ,a także zakłócenia powstające wskutek niestabilnych warunków pracy .

Szumy ze względu na mechanizm powstawania dzieli się na : cieplne , śrutowe i typu 1/f;w przyrządach półprzewodnikowych występują ponadto szum lawinowy i szum wybuchowy.

Szumy ograniczają czułość wejściową , a także dynamiczny zakres pracy układu , mogą też być przyczyną zniekształceń sygnału użytecznego ( np. pogorszenia jakości odbioru programu muzycznego ) itp. Ponieważ szumów nie można całkowicie wyeliminować , zatem zwykle dąży się do ich minimalizacji przez stosowanie coraz skuteczniejszych metod ich redukcji , a także doskonalenie procesu produkcyjnego elementów i optymalizację budowy układów z nich złożonych w celu uzyskiwania coraz korzystniejszych konstrukcyjnych i użytkowych parametrów urządzeń .

Właściwości szumowe elementów i układów elektronicznych mogą być określane przez zastępcze parametry bezwzględne i względne .Pierwszą grupę tworzą parametry charakteryzujące intensywność szumów . Są one proporcjonalne do średniej energii szumów własnych elementów elektronicznych . Drugą grupę parametrów szumowych tworzą wielkości , które wiążą poziom szumów własnych z sygnałem odniesienia .

Wszystkie parametry szumowe są w pewnym stopniu powiązane z szumem cieplnym rezystora , którego poziom jest zwykle przyjmowany jako poziom odniesienia .

Procesy fizyczne , w których powstają szumy , mają charakter przypadkowy . są to procesy stochastyczne , zazwyczaj stacjonarne - tzn. ich parametry statystyczne są stałe w czasie . Dla przebiegów przypadkowych głównymi parametrami są :

-wartość oczekiwana (wartość średnia)

E
=
=

-wariancja (kwadrat wartości skutecznej składowej zmiennej)

=E

=


p(u,T)dt

Symbol oznacza uśrednienie w czasie , a p(u,t) jest funkcją gęstości prawdopodobieństwa rozkładu amplitudy przebiegu .

Szczególne znaczenie przy określaniu właściwości szumowych elementów i układów elektronicznych ma szum cieplny rezystora , którego poziom przy temperaturze T=297 K jest przyjmowany jako poziom odniesienia . Szumiący rezystor może być przedstawiony za pomocą układów zastępczych , przy czym określa się średniokwadratową wartość napięcia lub prądu szumów

= 4kTRB
= 4kTGB

przy czym k-stała Boltzmana , T- temperatura bezwzględna , B- pasmo układu pomiarowego

Szum cieplny (termiczny) zwany niekiedy szumem Johnsona , jest spowodowany chaotycznym ruchem cieplnym nośników ładunku w warunkach równowagi termodynamicznej .

Szum śrutowy powstaje pod wpływem pola elektrycznego przy przechodzeniu nośników ładunku przez barierę potencjału , np. podczas emisji elektronów z katody lampy . W przyrządach półprzewodnikowych rozróżnia się zwykle w tego rodzaju szumach szum dyfuzyjny - powstający wskutek nieregularnego przechodzenia nośników przez obszar ładunku przestrzennego na styku obszarów P-N półprzewodnika , i szum generacyjno-rekombinacyjny - powstający w wyniku przypadkowych zmian szybkości procesów generacji i rekombinacji , pociągających za sobą fluktuacje liczby nośników ładunku .

Wartość średniokwadratową prądu szumów śrutowych w paśmie częstotliwości
f , wyrażającą zmiany statystyczne ładunku przepływającego przez daną powierzchnię , określa wzór

= 2oI
f

gdzie o jest ładunkiem elektronu , I-składową stałą prądu płynącego przez daną powierzchnię .

Szum śrutowy charakteryzuje się , podobnie jak szum cieplny , stałą gęstością widmową mocy w funkcji częstotliwości .

Szum typu 1/f , czyli szum o gęstości widmowej mocy w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalnej do częstotliwości f ,powstaje w wyniku działania kilku różnych mechanizmów fizycznych , np. w przyrządach półprzewodnikowych - głównie związanych z procesami generacyjno-rekombinacyjnymi i pułapkowaniem nośników na powierzchni półprzewodnika oraz upływnością złącz , w lampach elektronowych z powolnymi zmianami emisyjności powierzchni katody , w rezystorach kompozycyjnych - z przepływem prądu przez ośrodek nieciągły .

Wartość średniokwadratową prądu szumów tego typu w paśmie częstotliwości
f opisuje zależność

=A(
f/f)

gdzie A jest współczynnikiem , f zaś częstotliwością.

Do szumów typu 1/f należą ;

• szum nadmiarowy rezystorów , występujący przy przepływie prądu stałego przez rezystor , a spowodowany ziarnistą strukturą warstwy przewodzącej ;

• szum wywołany rekombinacją i generacją nośników w defektach struktury półprzewodnika ,zwłaszcza przy powierzchni ;

• szum migotania związany z przypadkową zmianą powierzchni czynnej katod ,zwłaszcza tlenkowych ;

• zmiany struktury wywołane starzeniem .

Podstawowe parametry szumowe dwójników :

1. Równoważne źródła szumów. Rzeczywiste elementy (obwody , układy) można zastąpić bezszumowymi z zachowaniem pozostałych właściwości elektrycznych , a właściwości szumowe reprezentować równoważnymi źródłami szumów x(t)-napięciowymi
   (t) i prądowymi
   (t).

2. Temperatura szumowa . Szumy własne elementów bądź układów elektronicznych można również określić równoważną temperaturą szumową
   .Jest to temperatura , w której rozporządzalna moc szumów cieplnych jest równa rozporządzalnej mocy szumów własnych elementu (układu , obwodu). Oznaczając przez
   (f) rozporządzalną gęstość widmową mocy całkowitych szumów własnych :

=

3.Równoważna rezystancja i konduktancja szumowa . Całkowite szumy własne elementów

można porównać z szumem cieplnym rezystora w temperaturze
=290K. Równoważna rezystancja i konduktancja szumowa są określone zależnościami

=

=

4.Stosunek mocy sygnału do mocy szumów . Przy przetwarzaniu sygnałów w dowolnym układzie zarówno liniowym , jak i nie liniowym następuje ich sumowanie z dodatkowymi niepożądanymi szumami . Często stosowaną miarą dostępu sygnału od szumu jest stosunek mocy sygnału
do mocy szumów
.

N=

Parametry szumowe czwórnika liniowego ;

1. Równoważne wejściowe źródła szumów . Właściwości szumowe czwórnika liniowego wynikające z istnienia w nim szeregu źródeł szumów zarówno prądowych , jak i napięciowych , można przedstawić w postaci równoważnych źródeł szumów dołączonych do dowolnej pary zacisków idealnego układu bezszumowego . Źródła te mają wydajności tak określone , by efekt ich działania na wyjściu czwórnika był identyczny z efektem działania źródeł szumów w rzeczywistym czwórniku

2. Współczynnik szumów . Przy przechodzeniu sygnału przez układ , szumy emitowane w czwórniku dodają się do szumów zawartych w sygnale wejściowym . Powoduje to pogorszenie stosunku mocy sygnału do mocy szumów na wyjściu czwórnika w porównaniu z tym stosunkiem na jego wejściu .Niezależnym od poziomu sygnału wskaźnikiem dobroci pod względem szumowym czwórników liniowych jest stosunek mocy sygnału do mocy szumu na wejściu czwórnika w porównaniu z tym stosunkiem na jego wyjściu , nazywany współczynnikiem szumów F .Określa on degradację stosunku mocy sygnału do mocy szumów przy przechodzeniu sygnału przez czwórnik .

3. Równoważna wejściowa temperatura szumowa .Równoważna wejściowa temperatura szumowa
   czwórnika jest bardzo użyteczna przy określaniu właściwości szumowych układów o małym poziomie szumów własnych . Moc szumów na wyjściu powodowanych przez czwórnik
   można przedstawić w postaci iloczynu
   
   

w którym
oznacza rozporządzalną moc szumów równoważnego źródła szumów umiejscowionego w obwodzie wejściowym . Równoważna wejściowa temperatura szumowa równa się :

=

PRACOWNIA PROBLEMOWA

Temat : Parametry szumowe elementów i układów elektronicznych .

Opracował :

Bogacz Jerzy

Grupa EN-21

---