Политех в Сети

Сайт для Учебы

8.1.ТЕПЛОВОЙ ШУМ

Рейтинг пользователей: / 4
ХудшийЛучший 

Как известно, электрический ток в твердых проводниках – это направленное движение электронов. Однако, кроме направленного, электроны также совершают хаотическое тепловое движение. При этом в элементарном объеме проводника возникают случайные изменения плотности электрического заряда, а на концах любого проводника – хаотически изменяющаяся разность потенциалов – тепловой шум. Существование теплового шума предсказал А. Эйнштейн в 1906 г. Впервые наблюдал тепловой шум Дж. Джонсон в 1928 г. В 1928 г. Найквист описал свойства теплового шума и показал, что дисперсия напряжения теплового шума равна

, (8.3)

Где: K – постоянная Больцмана, равная 1,38 * 10-23 Дж/град;

R – сопротивление цепи в омах;

– абсолютная температура сопротивления;

B – эффективная полоса частот, в которой измеряется тепловой шум.

Эта формула описывает тепловые шумы активных сопротивлений при любых температурах, за исключением сверхнизких. Из формулы Найквиста следует, что спектральная плотность теплового шума, т. е. мощность, приходящаяся на единичный интервал частоты, не зависит от частоты, как показано на рис…..

описание: пр41

Рис8.2.Спектральная плотность теплового шума

Такой шум называется «белым» по аналогии с белым цветом, представляющим собой смесь различных цветов, т. е. электромагнитных колебаний с различными частотами. Из этого свойства теплового шума следует, что от него невозможно полностью избавиться; его можно лишь уменьшить, понизив температуру, уменьшив сопротивление источника, генерирующего тепловой шум, и сузив полосу пропускания регистрирующего сигнал устройства.

Реальное сопротивление R, Являющееся источником теплового шума, можно представить в виде идеального нешумящего сопротивления, последовательно с которым включен генератор э. д.с. шума, определяемого по формуле Найквиста. Очевидно, что от схемы с источником э. д.с. можно перейти к схеме с эквивалентным источником шумового тока с дисперсией

, (8.4)

Причем эквивалентный источник шумового тока должен быть включен параллельно идеальному нешумящему сопротивлению R.

описание: пр42

а Б в

Рис.8.3.Представление тепловых шумов резистора (а) на эквивалентных схемах в виде источника напряжения (б) и источника тока (в)

При последовательном включении реальных сопротивлений складываются не э. д.с. шума отдельных источников, а их квадраты. При параллельном же включении реальных сопротивлений складываются квадраты токов. Действительно, э. д.с. (токи) отдельных источников имеют случайные мгновенные значения, частоты и фазы, поэтому речь может идти лишь о сложении мощностей.

Тепловые шумы создаются только теми элементами электрических цепей, которые рассеивают энергию, т. е. обладают активным сопротивлением. Реактивные сопротивления – емкости и индуктивности не могут быть источниками теплового шума.

Тепловые шумы, генерируемые активными сопротивлениями, могут иметь величину, сравнимую с полезными сигналами, Например, резистор сопротивлением 10 кОм, находящийся при температуре 200С, является источником тепловых шумов в полосе частот 10 кГц с действующим напряжением 1,3 мкВ. Это напряжение сравнимо, например, с э. д.с., развиваемой воспроизводящей головкой кассетного магнитофона.

В некоторых случаях тепловой шум, генерируемый резистором, используется как испытательный сигнал для исследования шумовых свойств электронной аппаратуры.