Thermisches Rauschen in der Elektronik

Mit der sich verändernden Landschaft der Kommunikationstechnologie und dem Kommunikationsbedarf steigt die Nachfrage nach Hochfrequenzschaltungen in der modernen Elektronik, die in verschiedenen Systemen eingesetzt werden, die eine schnelle und präzise Signalübertragung erfordern. Bei der Anwendung treten jedoch aufgrund des häufigen Umschaltens von Komponenten und anderer Faktoren Probleme im Zusammenhang mit dem thermischen Rauschen auf. Das Ergebnis ist eine erhebliche Verschlechterung der Leistung von Hochfrequenz-Schaltkreisen, was eine Gefahr für ihre Zuverlässigkeit darstellt. In diesem Artikel befasst sich FS Technology mit dem Problem der thermisches Rauschen um Ihnen zu helfen, diese Bedrohung abzuschwächen.

Was ist thermisches Rauschen in der Elektronik?

Wenn Sie die Elektronik in Ihrer Umgebung genau beobachten, werden Sie ein faszinierendes wissenschaftliches Phänomen bemerken: Sie können ein gewisses Rauschen hören, unabhängig davon, ob Sie sie aktiv nutzen. Bei diesem faszinierenden Phänomen handelt es sich um thermisches Rauschen, das auch als thermisches Bewegungsrauschen bezeichnet wird und in der Regel das Ergebnis zufälliger, temperaturbedingter Spannungs- und Stromschwankungen ist.

"Elektronisches thermisches Rauschen" ist ein weit gefasster Begriff, der sowohl Rauschen als auch Interferenzen umfasst. Im Allgemeinen werden unerwünschte Signale, die innerhalb eines Systems erzeugt werden, als Rauschen bezeichnet, das nicht in den Bereich der Signalübertragung fällt. Elektromagnetische Interferenzen, die von elektronischen Komponenten auf Leiterplatten wie Transistoren, Dioden, Widerständen und integrierten Schaltkreisen ausgehen, können dagegen als Interferenz bezeichnet werden. Diese Interferenzsignale sind unerwünschte externe Signale für das System.

Thermisches Rauschen bei ausgeschaltetem Gerät

In der vorangegangenen Diskussion wurde ein interessantes Thema angesprochen: das Vorhandensein von thermischem Rauschen, auch wenn eine Schaltung nicht mit Strom versorgt wird. Dies mag kontraintuitiv erscheinen, aber es ist tatsächlich ein reales Phänomen. Die Erzeugung von elektrischem Strom ist auf die Bewegung freier Elektronen zurückzuführen, und freie Elektronen entstehen nicht aus dem Nichts; sie benötigen eine angelegte Spannung an den Anschlüssen des Stromkreises, um einen Strom zu erzeugen. Mit anderen Worten: Wenn ein Widerstand nicht angeschlossen ist und keine externe Spannung an ihn angelegt wird, ist das Messergebnis mit einem Multimeter 0.

Ist das Messergebnis des Multimeters in diesem Fall genau?

Die Antwort ist ungewiss. Unter bestimmten Bedingungen, z.B. in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder bei hochenergetischer Teilchenstrahlung, können die Elektronen auch ohne eine externe Spannung genügend Energie erhalten (was allerdings seltener der Fall ist). Warum das Multimeter 0 anzeigt, liegt daran, dass die Bewegung der Elektronen innerhalb des Widerstands extrem schwach ist und das Multimeter aufgrund von Genauigkeitseinschränkungen nicht das wahre Ergebnis messen kann. Wenn Sie ein präziseres Instrument verwenden würden, würden Sie feststellen, dass die Spannung an den Anschlüssen des Widerstands nicht 0 ist, sondern unregelmäßige Schwankungen in der Nähe der 0-Linie aufweist.

Aktuelle Bewegung von Unpowered

Diese unregelmäßige Bewegung der Elektronen hängt oft mit der Umgebungstemperatur zusammen. In Umgebungen mit hohen Temperaturen nimmt die thermische Bewegung der Elektronen zu, was zu winzigen Strömen innerhalb des Schaltkreises führt. In solchen Fällen, auch wenn keine Geräte in Betrieb sind, sollte Ihr Hochfrequenz-Leiterplatte Unzulänglichkeiten aufweist, kann dies möglicherweise zu Problemen mit thermischem Rauschen führen.

Merkmale des thermischen Rauschens

Abhängig von der Temperatur

Sie haben vielleicht schon bemerkt, dass es zu Rauschproblemen kommen kann, wenn sich der geografische Standort von elektronischen Geräten ändert. Viele Leute mögen dies auf Signalprobleme zurückführen, und diese Sichtweise mag richtig sein. Tatsächlich gehen Änderungen des geografischen Standorts oft mit Schwankungen der Umgebungstemperatur einher, die möglicherweise die Bewegung von Elektronen in Hochfrequenzschaltkreisen beeinflussen können. Diese Veränderung ist positiv mit der Temperatur korreliert, was bedeutet, dass ein Anstieg der Temperatur zu einer Zunahme des Rauschens führen kann.

Thermische Bewegung und lineare Driftbewegung

Zuallererst müssen wir die Grundprinzipien elektronischer Produkte klären: Die verschiedenen Komponenten elektronischer Geräte benötigen eine externe Spannung, um zu funktionieren, einschließlich der elektronischen Elemente auf der Leiterplatte. Wenn wir eine externe Spannung an elektronische Geräte anlegen, werden die Elektronen in ihnen durch das elektrische Feld beeinflusst, was zu einem gerichteten elektrischen Strom führt - dies ist das grundlegende Funktionsprinzip von Schaltkreisen. Dieser Prozess ist unabhängig von der Temperatur, da er in erster Linie von der externen Spannung angetrieben wird.

Gleichzeitig unterliegen die Elektronen in den elektronischen Komponenten auch einer temperaturbedingten thermischen Bewegung. Diese thermische Bewegung entsteht durch die unregelmäßige, schnelle Bewegung der Elektronen in den Materialien. Die thermische Bewegung und die Erzeugung von Strom im Schaltkreis sind zwei unabhängige Phänomene, die sich gegenseitig nicht beeinflussen. Die thermische Bewegung der Elektronen wird ausschließlich von der Temperatur und nicht von der Höhe des Stroms beeinflusst.

Daher wird eine Erhöhung des Stromflusses die thermische Bewegung der Elektronen nicht verringern. Solange die Temperatur ausreichend hoch ist, werden sich die Elektronen unabhängig von der Stromstärke aufgrund der thermischen Bewegung weiterhin zufällig im Material bewegen, was zu thermischem Rauschen führt.

Zufälliger Prozess

Die thermische Bewegung ist eine unregelmäßige Bewegung und kann nicht mit momentanen Ausdrücken berechnet werden. Stattdessen werden statistische Gesetze verwendet, um das elektronische thermische Rauschen zu beschreiben. Es wurde getestet, dass das thermische Rauschen von Widerständen einer Normalverteilung folgt, d.h. einem Gaußschen Prozess, weshalb wir es auch als Gaußsches Rauschen bezeichnen. Je größer der Widerstand auf einer Leiterplatte ist, desto größer ist das Rauschen.

Bei der Bewertung des Rauschverhaltens einer Schaltung hat dieses nichts mit der Leiterplatte selbst zu tun, sondern hängt vielmehr vom Widerstand und der Umgebungstemperatur ab. Um Probleme mit thermischem Rauschen anzugehen, FS Technologie empfiehlt, die Verwendung von Widerständen bei der Entwicklung von Hochfrequenzschaltungen von Anfang an zu minimieren. Wenn Sie sie nicht brauchen, lassen Sie sie weg, oder reduzieren Sie die Anzahl und den Widerstand.

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