A zaj mint jel
SZERKESZTÉS ALATT!
A mérés célja
Különböző mennyiségek mérésénél általában a vizsgált mennyiség várható értékére vagyunk kíváncsiak, és a várható érték körüli fluktuációt zavaró tényezőnek tekintjük. Sok esetben viszont egy fizikai mennyiség "zaja" több információt hordoz a rendszerről mint maga a várható érték. A mérési gyakorlaton különböző zajjelenségeket vizsgálunk egy spektrumanalizátor segítségével. Először különböző ellenállások termikus zajának mérése alapján meghatározzuk a Boltzmann állandó értékét. Ezután egy félvezető dióda zajának méréséből az elektrontöltés értékét határozzuk meg. Végül a Barkhausen zaj jelenségét tanulmányozzuk.
A zaj definíciója
Előszöris definiáljuk zaj fogalmát. Egy időben változó mennyiség (pl. 
áram) mérésekor definiálhatjuk a mért mennyiség időbeli átlagát, 
illetve az átlagtól vett eltérést, 
. A zajt jellemezhetnénk egyszerűen az áram szórásnégyzetével, 
, azonban ekkor nem vennénk figyelembe hogy mérőrendzserünk csak véges sávszélességgel tud mérni, azaz egy bizonyos határfrekvencia fölött már nem tudjuk felbontani a jel időbeli fluktuációit. Ezért célszerű a zaj értékét a 2. ábrán szemléltetett módon egy bizonyos frekvenciasávra vonatkoztatni: az jelet először egy 
középfrekvencia körüli 
szélességű sáváteresztő szűrőn keresztül mérjük, azaz csak az adott frekvenciasávra jellemző 
szórásnégyzetet mérünk. Az így kapott szórásnégyzet kis esetén arányos a sávszélességgel, az arányossági tényezőt pedig a zaj spektrális sűrűségének nevezzük:
![\[\left<(\Delta I(t|f_0,\Delta f))^2\right>=S_I(f_0)\Delta f.\]](/images/math/3/3/f/33ff88a562de7a830d972009efd5d850.png)
Áramzaj esetén az 
spektrális sűrűség mértékegysége 
. A mérnöki gyakorlatban gyakran a spektrális sűrűség négyzetgyökével jellemzik egy eszköz zaját 
mértékegységgel.
![\[\left<(\Delta V(t|f_0,\Delta f))^2\right>=S_V(f_0)\Delta f.\]](/images/math/8/9/a/89add176c6c234d68ca1a7b6097619e0.png)
Egy egyszerű ellenállás esetén 
, azaz 
. Egy nemlineáris eszköznél, pl. egy diódánál 
, ahol 
az eszköz differenciális ellenállása a mérésnél alkalmazott munkapontban.
A fenti definíciók megismerése után érdemes megnézni a mérésnél használt Stanford research Systems 770 típusú spektrumanalizátor specificációit, melyek szerint a műszer bemeneti zaja a legkisebb méréshatárban 
. Ez azt jelenti, hogy a műszer bemenetét rövidre zárva a várt zérus feszülétség helyett a bemeneti erősítő feszültségzaját látjuk, melynek a szórása 5nV 1Hz-es sávszélességű mérés esetén.
A kvantált elektromos töltésből adódó "sörétzaj"
Puskagolyók zaja
A sörétzaj fogalma egy klasszikus példával is jól szemléltethető, nézzük meg hogy mi történik ha egy puskából véletlenszerűen lövöldözünk, úgy hogy a lövések időpontja egymástól teljesen független. Ha a szomszédos lövések között eltelt átlagos idő 
akkor 
idő alatt a lövések átlagos száma értelemszerűen 
. Az átlag körüli szórás meghatározásához érdemes kiszámolni a 
valószínűséget, azaz annak a valószínűségét, hogy idő alatt 
lövés dördül. Ha értékét ismerjük, akkor 
értéke a
![\[P_N(\Delta t+dt)=P_{N-1}(\Delta t)\frac{dt}{\tau}+P_N(\Delta t)\left(1-\frac{dt}{\tau}\right)\]](/images/math/3/f/4/3f4062d58cc637d85054d98f2b6b3f49.png)
egyenlettel írható fel, azaz a kezdeti és az utána következő 
idő alatt vagy 
ill. 
vagy ill. 
lövés dördül. A megfelelő valószínűségeket a lövések függetlensége miatt szorozhatjuk össze.
A fenti egyenlet átrendezésével a
![\[\frac{dP_N(\Delta t)}{dt}=\frac{P_{N-1}(\Delta t)-P_N(\Delta t)}{\tau}\]](/images/math/b/6/4/b64ef404ea69d3816419cfebef01952b.png)
differenciálegyenletet kapjuk. Megmutatható, hogy ezen feltételt a
![\[P_N(\Delta t)=\frac{(\Delta t)^N}{\tau^N N!}e^{-\Delta t/\tau}\]](/images/math/f/b/b/fbb852541ecee469bb9e8e91c30241fe.png)
Poisson eloszlás elégíti ki. A Poisson elszlás speciális tulajdonsága, hogy a szórásnégyzet megegyezik a várható értékkel, azaz
![\[\left< (\Delta N)^2 \right>=\left< N \right>=\frac{\Delta t}{\tau}.\]](/images/math/c/9/2/c925d13d542008c08786e26fc2259b03.png)
Elektronok sörétzaja
A fenti gondolatmenetet vonatkoztathatjuk elektronokra is ha teljesül az, hogy az elektronok véletlenszerűen, egymástól függetlenül jutnak át az egyik elektródából a másikba. Tegyük fel, hogy mérőrendszerünkkel az elektromos áramot időbeli felbontással tudjuk mérni. Egy szélességű mintavételezési intervallum alatt 
áramot detektálunk ahol a idő alatt áthaladó eletronok számának () eloszlását a fenti Poisson eloszlás adja meg. Így a mért áram várható értéke 
, míg az áram szórásnégyzete 
. A Nyquist - Shannon mintavételezési törvény szerint időfelbontás esetén a mért jelet 
maximális frekvenciáig tudjuk rekonstruálni. Ez alapján a mért áramzaj spektrális sűrűsége:
![\[S_I=\frac{\left< (\Delta I)^2 \right>}{f_{max}}=2e\left< I \right>.\]](/images/math/0/5/3/053bc656375d1bbafa1e3fead5d26320.png)
0-tól fmaxig fehérzaj független eletronok -> vákkum dióda, Schottky, de jó a félvezető dióda is.
egy lövés van, és az előtte eltelt idő alatt pedig , vagy
mely annak a valószínűségét, hogy
az egyik legalapvetőbb zajformát, az ún. termikus zajt tanulmányozzuk. A termikus zaj véges hőmérsékleten jelentkezik a különböző állapotok betöltésének termikus fluktuációi miatt. Egy fermionikus rendszerben egy állapot betöltési száma n=0,1 lehet. A betöltési szám várható értéke a Fermi függvény, .
A betöltési szám szórás négyzete:
,
ahol kihasználtuk, hogy fermionokra n2=n. A kifejezést energia szerint kiintegrálva ( ) rögtön látszik, hogy a termikus zaj arányos a hőmérséklettel. A zaj mértékének pontos megadásához először definiálni kell a zaj mérésére használt mennyiséget. Egy zajmérés kísérleti megvalósítása a következő ábrán szemléltethető:
A mért I(t) jelből kiszűrjük az f0 frekvencia körüli f sávszélességű tartomány, és az így kapott jel szórásnégyzetét vizsgáljuk egy spektrumanalizátorral. Megfelelően keskeny frekvenciasávot alkalmazva a mért szórásnégyzet arányos lesz a frekvenciasáv szélességével, és az arányossági tényezőt nevezzük a zaj spektrális sűrűségének:
.
Megmutatható hogy a zaj spektrális sűrűsége nem más, mint a korrelációs függvény Fourier transzformáltjának a kétszerese. A zaj pontos definícióját megismerve a termikus zaj értékét a fluktuáció-disszipáció tétel alapján adhatjuk meg, mely egy rendszer egyensúlyi fluktuációi és az egyensúlyból kitérített rendszer lineáris válaszfüggvénye között teremt összefüggést. Elektromos áram esetén az ez egyensúlyi fluktuáció nem más mint az áramzaj, a lineáris válaszfüggvény pedig a külső feszültségre adott válasz, vagyis a vezetőképesség. Így egy rendszer áramzaja:
.
Így alacsony frekvencián ( ) az áramfluktuációk termikus zaja:
.
Hasonlóképpen a feszültségzaj:
Látjuk, hogy a termikus zaj segítségével "csupán" feszültségmérés alapján meghatározhatjuk egy rendszer abszolút hőmérsékletét. Persze a precíz zajmérések komoly méréstechnikai kihívást jelentenek, hiszen nanovoltos vagy még kisebb feszültségek fluktuációját kell pontosan mérni. Ennek ellenére a termikus zaj mérésének komoly metrológiai jelentősége van, hiszen számos módszerrel mérhetünk precízen hőmérsékletváltozást, de az abszolút hőmérsékletet nem könnyű meghatározni. A jelenleg érvényes hőmérsékletstandardok mind ún. másodlagos hőmérők, melyek nem alapvető fizikai törvény hanem megfelelő kalibráció alapján mérik az abszolút hőmérékletet. (A szobahőmérséklet körüli széles tartományban pl. platina vékonyréteg ellenálláshőmérőt használnak standardként.) A termikus zaj mérése alapvető fizikai állandók (Boltzmann állandó + elektron töltés) alapján vezeti vissza a hőmérsékletmérést feszültségmérésre, így a hőmérsékletstandardok kalibrálásának egyik alapvető módszere. A termikus zaj mellett még két fontos zajtípusról érdemes megemlékezni. Az egyik a szennyezők és rácshibák véletlen mozgásából adódó ún. 1/f zaj, mely alacsony frekvenciákon dominál, és a nevét is a zajsűrűség tipikus frekvenciafüggéséről kapta. A másik az elektrontöltés kvantáltságából adódó ún. sörét zaj, melynek a lényege egy egyszerű példán szemléltethető: Képzeljünk el egy elektronhullámot, mely áthalad egy T transzmissziós valószínűségű nyalábosztón. Az áthaladt töltés értéke T valószínűséggel 1 és 1-T valószínűséggel 0,így az áthaladt töltés T várható értéke körül T(1-T) szórásnégyzetű fluktuációt tapasztalunk. Ezt az elemi folyamatot több elektronra általánosítva megmutatható, hogy a sörétzaj nagysága a rendszerre kapcsolt feszültséggel arányos. A fenti példából érezhető, hogy a sörétzaj kisméretű rendszerekben válik fontossá, ahol egyszerre csak kevés elektron vesz részt a vezetésben.
