【技术专辑】什么是电噪声并且来源于哪里?

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本文提供了您始终拥有但几乎从不想要的电信号的基本特征和起源的见解。

 

在日常生活中,我们有天气作为开始和保持对话的通用手段。在电子世界中,噪声可以起到类似的作用。它总是存在并且总是引起某种问题。如果设计评审会议正在放缓但是没有人愿意放弃会议室,你需要做的只是提及n字并且讨论至少应该在接下来的半小时内生动。如果你的最新PCB运行得非常好,但是当有人来询问你时,你不想过于自信,仅需抱怨噪声。如果你的PCB惨遭失败并且你不确定原因,那就把它归咎于噪声,这种噪音在被证明是无辜的之前总是有罪的。

 

什么是噪声?

 

这个问题是有些困难,如果你尝试去回答真的很深,因为你在哲学领域一样遇到问题比如“生活为什么这么复杂?”或“为什么总熵不能每隔一段时间就减少每一次? “但如果你对这个话题的表面处理感到满意,那么电噪声就很简单了。

 

以下是我尝试从电路设计角度来定义电噪声:噪声是一种通用词,指的是电压或电流的变化,这些变化通常是随机的,通常具有相对低的幅度,并且总是不合需要的。

 

以下注释应该有助于理解该定义:

 

•电磁噪声是电路设计中普遍存在且通常很重要的因素,但我将定义限制为电压和电流,因为在电路环境中,电磁噪声的影响通过电流和电压变化表现出来。

 

•我说“经常”随机地考虑可预测或周期性的噪声信号,例如60 Hz干扰。然而,本文主要关注基本的噪声产生现象,这些现象是随机的(或者更准确地说,它们对人类来说似乎是随机的)。

 

•噪声信号的幅度当然可能非常大,但在这种情况下,我认为诸如大瞬态,雷击或严重EMI之类的事物属于一个单独的类别。

 

•有时候我们可能会故意产生噪音(想到了抖动),但我认为如果我们将其限制为不需要的信号,则上述定义会更加一致。在我看来,故意和有用的噪声被称为“噪声”,仅仅因为它类似于噪声; 故意噪声更多地属于“信号”类别,如果你根据其来源和目的判断,因为它是由设计师根据系统的需要创建的。

 

我认为我们现在已经清楚了解噪声是什么,这意味着我们已经准备好探索下一个话题:它来自哪里?

 

噪声的原因

 

这里的目标是查看根本原因。噪声可以“来自”任何地方:空气,电源,LDO,开关稳压器,电阻......我们希望更深入,即噪声本身的起源,而不是噪声进入电路的元件或通路。

 

热噪声,AKA约翰逊噪声

 

这是与电子流动阻力相关的基本现实。除非我们开始用超导体设计电路,否则我们总会产生热噪声,因为一切都至少有一点阻力。

 

热噪声表现为随机电压变化; 它与温度,电阻和带宽有关。温度越高,电阻越高,噪声幅度越大。这里的“带宽”是指与电路相关的频率范围。如果在分析中包含更多频率,您将看到更多的热噪声。

 

散粒噪声

 

电子实际上并不“流过”导体。它们有点碰撞,潜在的能量累积,然后每当电子必须越过障碍物时转换成动能。(想象一下球在一系列颠簸中滚动 - 当能量在潜在领域和动力领域之间来回移动时,速度会不断变化。)

 

这些电子运动的随机变化导致电流的相应随机变化。换句话说,噪声。散粒噪声在半导体中比在导体中更突出,因为半导体具有更多障碍。较高的电流会导致更多的散粒噪声,更宽的带宽也是如此(同样,如果包含更多频率,则会看到更多噪声)。

 

 【技术专辑】什么是电噪声并且来源于哪里?

该图显示了ADI 公司生产的通用运算放大器(ADA4666-2)的噪声密度。随着频率的增加,噪声密度呈下降趋势,但要计算实际噪声幅度,必须将噪声密度乘以电路带宽的平方根。

 

1/f噪声,AKA闪烁噪声

 

据我所知,科学家们仍然不了解闪烁噪音。我不会试着跟上最新的研究,所以也许他们现在已经找到了一些东西,但我认为至少还有一些关于潜在物理现象的神秘感。

 

最重要的是,大多数电子元件产生闪烁噪声,随着频率的增加幅度减小。名称“1/f”(即“与频率成反比”)提醒我们,幅度和频率之间的关系是闪烁噪声的突出特征。与散粒噪声一样,较高的电流会导致更多的闪烁噪声。

 

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闪烁噪声随频率降低,使得在某一点热噪声成为主导。该模型取自ADI公司发布的这篇文章。

 

爆裂噪声,AKA爆米花噪声

 

这种类型的噪声仅发生在半导体中,但这对我们没有多大帮助,因为现在半导体无处不在。半导体材料中的缺陷导致突然的电压或电流转变。快速转换包含高频能量,但这些转换产生的脉冲频率实际上相当低:

 

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测量的突发噪声,取自Maxim Integrated 应用笔记,用于处理信号链中的噪声。水平刻度为每格0.4秒。

 

如果放大受污染的信号并将其发送到扬声器,您可以听到爆裂声。这听起来像是爆米花 - 或者至少是我读过的东西; 我从来没有听过它(或者如果我没有意识到我听到了什么),所以我无法证实它确实听起来像爆米花。由于半导体制造的改进,突发噪声现在不是什么大问题。

 

总结

 

这涵盖了电子电路中最重要的噪声源。我希望你现在能够更好地了解导致电气工程师如此惊愕的物理现象。您无法消除噪音,但上述信息可为您提供有关如何减少噪音的一些想法。例如,为了降低热噪声,您可以使用更小的电阻或添加滤波器来限制带宽,而低电流偏置技术可以降低散粒噪声和闪烁噪声。

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发布日期:2019年03月03日  所属分类:参考设计