Тема 8. Шуми

Чутливість електронних пристроїв, призначених для виявлення, підсилення, вимірювання слабких сигналів, суттєво обмежується флуктуаціями струмів у колах електронних приладів.

Апаратура, що включена в анодне коло лампи, реагує на ці флуктуації і, якщо вона звуковідтворююча, тоді створює шум. Тому всі невпорядковані зміни анодного струму електронних ламп називають шумами.

Існує кілька причин власних шумів електронних ламп. Основними з них є дробовий шум, мерехтіння катода, наявність позитивних іонів тощо.

Дробовий ефект

Дискретність заряду електронів і хаотичність їх руху в матеріалі емітера приводить до того, що кількість електронів, що вилітають (виходять) з емітера за одиницю часу, коливається відносно середнього значення. Ці коливання мікроскопічні, але вони явно виражені і обумовлюють коливання (флуктуації) струму емісії (рис.1.48).

Рис.1.48

При використанні електронних ламп з термокатодами в приймальній радіоапаратурі флуктуації струму емісії породжують внутрішні перешкоди (шуми), що схожі на звуки розсипаних з шумом дробинок.

Через таку схожість явище отримало назву дробового ефекту. Таким чином, дробовий ефект – це флуктуації струму емісії, обумовлені нерівномірністю з часом (хаотичністю) виходу електронів з катода.

Флуктуації струму емісії характеризуються нескінченно широким спектром частот, тому цей шум називають білим шумом. Середньоквадратична величина флуктуацій струму шумів дорівнює

,

- середнє значення струму емісії з катода площею , - полоса частот. Цей вираз справджується на досліді, якщо вимірювання проводяться на частотах . На більш низьких частотах крім дробового ефекту проявляються інші, більш сильні причини зміни струму емісії термокатодів. Серед них - фліккер-ефект: флуктуації струму термоемісії через нерівномірні зміни емісійної здатності окремих ділянок поверхні катода.

Рівень шумів у лампі зменшується, якщо біля катода створюється великий об’ємний заряд.

При виникненні в електронній лампі іонів (наприклад, при іонізації залишкових газів) вони частково компенсують просторовий заряд, при цьому демпфуюча дія просторового заряду зменшується і рівень шумів зростає.

Відомо, що хаотичний тепловий рух електронів у провідниках обумовлює флуктуації спаду напруги на зажимах будь-якого резистора. Величина цієї шумової напруги визначається формулою Найквіста:

,

де - полоса частот коливань, що пропускаються приладом чи пристроєм.

В електронних лампах рівень внутрішнього шуму оцінюють величиною еквівалентного опору шуму , що має напругу шумів , яка дорівнює напрузі шумів лампи , тобто .

Опір при включенні в коло сітки ідеальної, нешумлячої лампи, створює в анодному колі такий самий шум, який створюється в реальній лампі за рахунок її фізичних властивостей. Величину можна визначити за формулами: для діода , для тріода , для пентода чи тетрода

.

Значення знаходиться в границях від 200 Ом для мініатюрних тріодів до сотень кілоом для багатоелектродних ламп.

Шуми в лампах можуть виникати також за рахунок недоліків у конструкції. До шумів відноситься також фон від нагрівання катода змінним струмом та деякі інші явища.

Для оцінки низьких рівнів власних шумів приладів використовують параметр – еквівалентна шумова температура

.

Шумова температура – це температура рівномірно нагрітого резистора, інтенсивність шуму якого дорівнює шуму джерела.

Коефіцієнт шуму:

,

де - це потужність шумів джерела на виході ідеального (безшумного) чотириполюсника, коефіцієнт підсилення якого дорівнює .

Цей коефіцієнт показує, в скільки разів зростає шум на виході шумлячого чотириполюсника порівняно з ідеальним. Для ідеального підсилювача (без власних шумів) N=1.