Завади, шуми, наводки у каналах вимірювальних пристроїв

Крім сигналів вимірювальної інформації, в каналах вимірювальних пристроїв діють сигнали, які не несуть вимірювальної інформації і, отже, обмежують точність вимірювання. Такі паразитні сигнали називаються завада­ми.

Електричні коливання, миттєві значення яких зміню­ються хаотично, нерегулярно, непередбачуваним чином і мають широкий спектр, називаються шумами. Цей термін також вперше з'явився в радіотехніці і означав спочатку хаотичні електричні коливання у звуковому діапазоні частот, які, діючи на навушники телефонів чи гучномовці, створювали звук, схожий на шум моря чи вітру. Шум, спектр якого рівномірний в нескінченно широкій смузі частот від нуля до нескінченності, називається білим шумом. Білий шум — це лише зручна ма­тематична модель для аналізу. Реальні сигнали можуть лише наближатися до цієї моделі.

За місцем виникнення завади поділяються на внутрішні, які виникають в каналах вимірювальних при­строїв, і зовнішні, що виникають за межами вимірюваль­них пристроїв.

Одним з найпоширеніших внутрішніх шумів є шум, спричинений тепловим хаотичним рухом вільних елек­тронів в матеріалі резистора, внаслідок чого напруга на резисторі має хаотичні випадкові коливання (так звані флуктуації) навколо середнього значення. Середнє ква­дратичне значення шумової напруги визначається формулою Найквіста, яка отримана на основі законів термодинаміки:

де k=1, 38-10^-23Вт/(Гц-К) — стала Больцмана; Т — термо­динамічна температура, К; R — опір резистора, Ом; Df — смуга частот коливань, Гц. Тепловий шум резистора має рівномірний спектр в дуже широкій смузі частот.

Транзистор має тепловий, дробовий та флікерний шуми.

Тепловий шум зумовлений хаотичним рухом носіїв заряду (електронів та дірок). Цей струм має таке саме по­ходження, як і шум резистора, тому середнє квадратичне значення напруги теплового шуму транзистора оцінюється також за формулою Найквіста.

Дробовий шум виникає в р-n-переходах біполярного транзистора і зумовлений дискретною структурою струму через р-n-переходи і нерівномірністю розподілу швид­костей руху носіїв заряду у спільному потоці. Дробовий шум характеризується середнім квадратичним значенням, яке визначається за формулою:

де q — заряд носія; I — струм через перехід; Df — смуга частот. На електричних еквівалентних схемах дробовий шум моделюється генератором струму.