Флуктуации электрических величин и шумы в радиофизике

С практической точки зрения наибольший интерес представляет изучение флуктуаций тока и напряжения (электрические шумы) в компонентах интегральных схем, в самих ИС и других электронных устройствах, которые повсеместно используются в ЭВМ, а также в различных радиотехнических, измерительных, управляющих и коммуникационных системах. Флуктуации напряжения и тока в электронных приборах называют электрическим шумом, или просто шумом. Электрические шумы – случайные колебания токов и напряжений вблизи средних значений ограничивают чувствительность радиоприемной и измерительной аппаратуры, снижают точность и надежность работы различных электронных приборов. Для измерения характеристик шума применяются анализаторы спектра, коррелометры и другие приборы.

Возникающие в электронных приборах, и вообще в твердых телах, флуктуации являются естественным следствием атомизма вещества и дискретности электрического заряда. Любое физическое явление в твердых телах, в конечном счете, может быть описано процессами движения носителей тока и их рассеянием на различных центрах, приводящим к тому, что движение носителей оказывается случайным, а их скорости непрерывно меняются. Регистрируемый в твердых телах любой макроскопический эффект возникает после многочисленных микроскопических актов столкновений и рассеяния носителей тока.

На рис. 1.2 приведены осциллограммы шума (зависимость мгновенных значений флуктуаций напряжения от времени). (а) и синусоидального сигнала (б).

 

 

Рис. 1.2. Осциллограммы шума (а) и синусоидального сигнала (б).

Чистый тон описываются идеальным синусоидальным сигналом, который может быть выражен как периодическая функция времени t:

U(t) = U₀ sin (w₀t + j₀), (1.3)

где амплитуда U₀, угловая частота w₀ = 2πf и начальная фаза j₀ являются постоянными величинами.

Зная значение функции U(t) в некоторый момент времени t₀, можно найти ее значение в любой другой момент времени t из выражения (1.3). Вместе с тем на практике мы всегда имеем дело с шумоподобными сигналами и с их флуктуациями. При этом реальный синусоидальный сигнал с учетом флуктуаций амплитуды U₀ и фазы j₀ можно выразить:

U(t) = U₀(t) sin [w₀t + j₀(t))] (1.4)

Здесь амплитуда U₀(t) и угловая частота w, определяемая как производная от аргумента синусоидальной функции по времени, т.е. w(t) = 2pf = d(w₀t + j₀(t))/dt = w₀ + d(j₀(t))/dt, в общем случае, являются случайными функциями времени и ведут себя непредсказуемым образом. И чем больше время наблюдения t, тем больше степень непредсказуемости амплитуды U(t) и частоты w(t). Во многих практических случаях амплитуда синусоидального сигнала U₀(t) может быть модулирована 1/f шумом (в этом случае имеем так называемый 1/Df шум) – см. раздел 4.6.