الضوضاء (الإلكترونيات)

إن ضوضاء جونسون-نايكويست ^{[ 1 ]} (غالبًا الضوضاء الحرارية) أمر لا مفر منه، ويتم توليدها عن طريق الحركة الحرارية العشوائية لحاملات الشحنة (عادة الإلكترونات ) داخل موصل كهربائي ، وهو ما يحدث بغض النظر عن أي جهد مطبق .

الضوضاء الحرارية بيضاء تقريبًا ، أي أن كثافة طيف قدرتها متساوية تقريبًا عبر طيف التردد . ويقترب سعة الإشارة من دالة كثافة احتمالية غاوسية . غالبًا ما يُنمذج نظام الاتصالات المتأثر بالضوضاء الحرارية كقناة ضوضاء غاوسية بيضاء مضافة (AWGN).

ينتج ضجيج الطلقات في الأجهزة الإلكترونية عن تقلبات إحصائية عشوائية لا مفر منها في التيار الكهربائي عندما تعبر حاملات الشحنة (مثل الإلكترونات) فجوة. إذا تدفقت الإلكترونات عبر حاجز، فإنها تصل في أوقات منفصلة. وتُظهر هذه الوصولات المنفصلة ضجيج الطلقات. عادةً ما يُستخدم الحاجز في الصمام الثنائي. ^{[ 4 ]} يشبه ضجيج الطلقات الضجيج الناتج عن سقوط المطر على سطح معدني. قد يكون تدفق المطر ثابتًا نسبيًا، لكن قطرات المطر الفردية تصل بشكل منفصل. ^{[ 5 ]}

يتم إعطاء قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​لتيار ضوضاء الطلقة i _in بواسطة صيغة شوتكي.

${\displaystyle i_{n}={\sqrt {2Iq\Delta B}}}$

حيث I هو التيار المستمر، و q هي شحنة الإلكترون، وΔB هو عرض النطاق الترددي بالهرتز. تفترض صيغة شوتكي وصول الموجات بشكل مستقل.

تُظهر الصمامات المفرغة ضوضاء الطلقات لأن الإلكترونات تغادر المهبط بشكل عشوائي وتصل إلى المصعد (الصفيحة). قد لا يُظهر الصمام تأثير ضوضاء الطلقات بالكامل، إذ يميل وجود شحنة فضائية إلى تنعيم أوقات الوصول (وبالتالي تقليل عشوائية التيار). تُظهر الصمامات الخماسية والصمامات الرباعية ذات الشبكة المظللة ضوضاءً أكثر من الصمامات الثلاثية لأن تيار المهبط ينقسم عشوائيًا بين الشبكة المظللة والمصعد.

لا تُظهر الموصلات والمقاومات عادةً ضوضاء الطلقات لأن الإلكترونات تتوازن حراريًا وتتحرك بشكل انتشاري داخل المادة؛ إذ لا تمتلك الإلكترونات أوقات وصول منفصلة. وقد تم إثبات وجود ضوضاء الطلقات في المقاومات الميزوسكوبية عندما يصبح حجم العنصر المقاوم أقصر من طول تشتت الإلكترون-الفونون. ^{[ 6 ]}

عندما ينقسم التيار بين مسارين (أو أكثر)، ^{[ 7 ]} يحدث التشويش نتيجة للتقلبات العشوائية التي تحدث أثناء هذا الانقسام.

لهذا السبب، سيكون للترانزستور ضوضاء أكثر من الضوضاء الناتجة عن وصلاته PN.

ضوضاء الوميض، والمعروفة أيضاً بضوضاء 1/ f ، هي إشارة أو عملية ذات طيف ترددي يتناقص تدريجياً نحو الترددات الأعلى، ويظهر ذلك على شكل طيف وردي . تحدث هذه الضوضاء في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريباً، وتنتج عن مجموعة متنوعة من التأثيرات.

يتكون ضجيج الانفجار من انتقالات مفاجئة تشبه الخطوات بين مستويين أو أكثر من مستويات الجهد أو التيار المنفصلة، ​​والتي قد تصل إلى عدة مئات من الميكروفولتات ، في أوقات عشوائية وغير متوقعة. يستمر كل تغيير في جهد الإزاحة أو التيار لعدة أجزاء من الثانية إلى ثوانٍ. ويُعرف أيضًا باسم ضجيج الفشار نظرًا لأصوات الفرقعة أو الطقطقة التي يُصدرها في الدوائر الصوتية.

إذا أصبح الزمن الذي تستغرقه الإلكترونات للانتقال من الباعث إلى المجمع في الترانزستور مماثلاً لدورة الإشارة المراد تضخيمها، أي عند ترددات أعلى من ترددات VHF وما بعدها، يحدث تأثير زمن العبور، وتنخفض مقاومة دخل الضوضاء للترانزستور. ومن التردد الذي يصبح عنده هذا التأثير ملحوظاً، يزداد مع التردد، وسرعان ما يطغى على مصادر الضوضاء الأخرى. ^{[ 8 ]}

ضوضاء التشكيل البيني

يحدث ذلك عندما تتشارك إشارات ذات ترددات مختلفة نفس الوسط غير الخطي.

التداخل

ظاهرة تتسبب فيها إشارة مرسلة في دائرة أو قناة واحدة من نظام الإرسال في حدوث تداخل غير مرغوب فيه على إشارة في قناة أخرى.

تدخل

تعديل أو تعطيل إشارة تنتقل عبر وسيط

الضوضاء الجوية

ويسمى أيضاً بالضوضاء الساكنة، وهو ناتج عن تفريغات البرق في العواصف الرعدية والاضطرابات الكهربائية الأخرى التي تحدث في الطبيعة، مثل تفريغ الهالة .

الضوضاء الصناعية

تُسبب مصادر مثل السيارات والطائرات ومحركات الإشعال الكهربائية ومعدات التبديل وأسلاك الجهد العالي ومصابيح الفلورسنت ضوضاء صناعية. وتنتج هذه الضوضاء عن التفريغ الكهربائي الموجود في جميع هذه العمليات.

الضوضاء الشمسية

يُطلق على الضوضاء الصادرة من الشمس اسم الضوضاء الشمسية . في الظروف الطبيعية، يكون الإشعاع الشمسي ثابتًا تقريبًا نظرًا لارتفاع درجة حرارته، لكن العواصف الشمسية قد تُسبب اضطرابات كهربائية متنوعة. وتختلف شدة الضوضاء الشمسية بمرور الوقت خلال الدورة الشمسية .

ضجيج كوني

تُصدر النجوم البعيدة ضوضاء تُسمى الضوضاء الكونية. ورغم بُعد هذه النجوم عن أنظمة الاتصالات الأرضية بحيث لا تؤثر بشكل فردي ، إلا أن كثرتها تُحدث تأثيرات جماعية ملحوظة. وقد رُصدت الضوضاء الكونية في نطاق ترددي يتراوح بين 8  ميجاهرتز و1.43 جيجاهرتز، ويتوافق التردد الأخير مع خط الهيدروجين  عند 21 سم . وبصرف النظر عن الضوضاء التي يُسببها الإنسان، تُعد هذه الضوضاء أقوى مُكوّن في نطاق ترددي يتراوح بين 20 و120 ميجاهرتز تقريبًا. لا تخترق الضوضاء الكونية التي تقل تردداتها عن 20 ميجاهرتز طبقة الأيونوسفير إلا بنسبة ضئيلة، بينما يُعزى اختفاؤها التام عند الترددات التي تتجاوز 1.5 جيجاهرتز على الأرجح إلى الآليات التي تُولدها وامتصاصها بواسطة الهيدروجين في الفضاء بين النجوم. 

في كثير من الحالات، يكون التشويش الموجود في الإشارة داخل الدائرة غير مرغوب فيه. وهناك العديد من تقنيات الحد من التشويش التي يمكنها تقليل التشويش الذي تلتقطه الدائرة.

1. قفص فاراداي – يُستخدم قفص فاراداي الذي يُحيط بدائرة كهربائية لعزلها عن مصادر الضوضاء الخارجية. لا يُمكن لقفص فاراداي معالجة مصادر الضوضاء التي تنشأ في الدائرة نفسها أو تلك التي تنتقل عبر مداخلها، بما في ذلك مصدر الطاقة.
2. الاقتران السعوي – يسمح الاقتران السعوي باستقبال إشارة التيار المتردد من جزء من الدائرة في جزء آخر من خلال تفاعل المجالات الكهربائية. وفي حال كان الاقتران غير مقصود، يمكن معالجة آثاره من خلال تحسين تصميم الدائرة والتأريض.
3. حلقات التأريض – عند تأريض الدائرة الكهربائية، من المهم تجنب حلقات التأريض . تحدث حلقات التأريض عندما يكون هناك فرق في الجهد بين وصلتي تأريض. من الطرق الجيدة لحل هذه المشكلة جعل جميع أسلاك التأريض على نفس الجهد في ناقل التأريض.
4. حماية الكابلات - يمكن اعتبار الكابل المحمي بمثابة قفص فاراداي للأسلاك، حيث يحميها من التشويش غير المرغوب فيه في الدوائر الحساسة. يجب تأريض الغلاف ليكون فعالاً. يمكن تجنب حدوث حلقة أرضية بتأريض الغلاف من طرف واحد فقط.
5. الأسلاك المجدولة المزدوجة - يقلل تجديل الأسلاك في الدائرة الكهربائية من التشويش الكهرومغناطيسي. يقلل تجديل الأسلاك من حجم الحلقة التي يمكن أن يمر عبرها المجال المغناطيسي لتوليد تيار بين الأسلاك. قد توجد حلقات صغيرة بين الأسلاك المجدولة معًا، لكن المجال المغناطيسي الذي يمر عبر هذه الحلقات يحث تيارًا يتدفق في اتجاهين متعاكسين في حلقات متناوبة على كل سلك، وبالتالي لا يوجد تيار تشويش صافٍ.
6. مرشحات الحجب - تُستخدم مرشحات الحجب، أو مرشحات رفض النطاق، لإزالة تردد ضوضاء محدد. على سبيل المثال، تعمل خطوط الطاقة داخل المباني بتردد  50 أو 60 هرتز . تلتقط الدوائر الحساسة هذا التردد كضوضاء. يمكن لمرشح الحجب المضبوط على تردد خط الطاقة إزالة هذه الضوضاء.

يمكن تقليل الضوضاء الحرارية عن طريق تبريد الدوائر - وهذا عادة ما يتم استخدامه فقط في التطبيقات عالية الدقة وعالية القيمة مثل التلسكوبات الراديوية.