Сигналы, которые мы рассматривали выше, были периодически повторяющимися колебаниями — мы всегда могли точно знать значение напряжения или тока в любое данное время. Рассмотрим теперь случайные колебания. Все сигналы несущие информацию (в том числе звуковые колебания, сигналы изображения и т. п.) по своей природе являются случайными. То, что можно предсказать заранее — не несет в себе полезной информации. Наиболее характерным примером случайного сигнала является шум.
Шум и хаос повсюду в нашей жизни, — от звука волны на морском побережье, радиошума звезд до каждодневных колебаний курсов акций на фондовых биржах. Электрические шумы обычно можно отнести к одной из двух категорий. Белый шум, который имеет постоянный уровень на всех частотах (как белый свет), и «окрашенный» шум, амплитуда которого прямо или обратно пропорциональна частоте.
Белый шум часто называют тепловым или шумом Джонсона, и он вызывается случайными тепловыми движениями атомов, ударяющим свободные электроны в проводнике. Так как механизм его генерации тепловой, охлаждение электронного устройства, для которого шум критичен, уменьшает его интенсивность. Так, например, в радиотелескопах предварительные усилители охлаждаются жидким азотом. Разумеется, наиболее всего «шумят» те элементы устройства, которые сильнее нагреваются. Так, мы рассматривали ранее, что значительная тепловая энергия выделяется на резисторах, при протекании через них тока. Таким образом, все резисторы производят белый шум, и генерируют шумовое напряжение:
Vшума=√4rTBR,
где r = постоянная Больцмана « 1,381 х 10-23 Дж/К;
Т = абсолютная температура проводника = +273,16 ºС; В = ширина полосы пропускания измеряющего прибора; R = сопротивление проводника.
Из этого выражения можно видеть, что если мы охладим проводник до 0°К или до -273,16 ºС, то шум прекратится, потому что это будет абсолютный ноль температур, при котором не будет тепловой вибрации атомов, производящей шум. Однако абсолютный ноль температур недостижим в природе.
Ширина полосы частот измерительной системы тоже очень важна, потому что шум пропорционален квадратному корню этой полосы. Ширина полосы частот — это разность между верхним и нижним пределами измерения на уровне f_3дБ . Важно понять, что в аудио деле шум в полосе частот, воспринимаемой ухом человека (20 Гц— 20 кГц), присутствует всегда. При этом если один усилитель имеет более широкую полосу частот, чем другой, это не обязательно означает, что он будет производить больше шумов, поскольку интенсивность шума зависит и от других факторов.
В звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре мы не можем изменить полосу частот (так как мы должны воспроизводить весь звуковой диапазон) и уж тем более значение постоянной Больцмана, а уменьшение температуры всего устройства является делом дорогостоящим. По этой причине нашим основным оружием в борьбе с шумами является снижение сопротивлений резисторов и уменьшение их нагрева.
«Окрашенный» шум известен также как фликкер-шум, шум «мерцания» или избыточный шум, и это особенно неприятный тип шумов, потому что он не предсказуем.
Его можно называть шумом дефектов, потому что обычно он вызывается дефектами полупроводников или электронных ламп, «сухими» паяными соединениями, плохими контактами металл — металл в разъемах и т. п. — список бесконечен. Изготовители полупроводников для своих устройств обычно указывают вершину фликкер-шума, там где этот шум становится доминирующим над белым шумом, но для электронных ламп таких данных обычно не приводится.
Так как шум является процессом случайным или некогерентным, мы не можем складывать напряжения шумов или токов, а должны складывать мощности шумов, причем результаты часто бывают неожиданными. Шумы могут быть рассмотрены также и со статистической точки зрения, как отклонение от некоторого среднего значения (называемого математическим ожиданием). Когда организация опроса общественного мнения использует большую выборку для уменьшения ошибки, она фактически усредняет шум, чтобы найти среднее значение.
Если запараллелить «n» устройств в малошумящем усилителе, то некогерентный сигнал шума начинает подавляться, а желаемый сигнал остается на постоянном уровне, давая в результате улучшение отношения сигнал/шум на vn дБ. Этот метод борьбы с шумами пригоден для полупроводников, где возможно создание тысячи (1000) согласованных параллельных транзисторов на одном кристалле (LM394, МАТ —01, и т. п.) с идентичными параметрами, но мы вряд ли найдем пару согласованных ламп-триодов в одной упаковке, поэтому оставим эту идею!
Морган Джонс. Ламповые усилителию. Перевод с английского под общей научной редакцией к.т.н. доц. Иванюшкина Р Ю.
