Thermisches Rauschen in Hochfrequenz PCBA

Aufgrund ihrer ausgezeichneten Dielektrizitätskonstante werden Hochfrequenz-PCBAs häufig in verschiedenen Systemen eingesetzt, die eine schnelle und genaue Signalübertragung erfordern. Neben den üblichen Anwendungen für 5G-Basisstationen und Mini-Drohnen-Leiterplatten werden sie auch in Hochfrequenzleitungen eingesetzt. Dieser Artikel analysiert die Ursachen des thermischen Rauschens, das durch Hochfrequenz-PCBAs in Hochfrequenzschaltungen verursacht wird, und bietet Lösungen an.

Definition von PCB Thermal Noise

Wenn Sie sich die elektronischen Geräte in Ihrer Umgebung genau ansehen, werden Sie ein interessantes wissenschaftliches Phänomen bemerken: Ob Sie sie nun benutzen oder nicht, Sie können ein gewisses Rauschen von ihnen hören. Wir nennen dieses Geräusch elektronisches thermisches Rauschen.

Elektronisches thermisches Rauschen ist ein relativ weit gefasster Begriff, der Rauschen und Interferenzen umfasst. Normalerweise bezeichnen wir alle unerwünschten Signale mit Ausnahme der Signalübertragung als Rauschen, d.h. unerwünschte Signale innerhalb des Systems. Das durch die elektromagnetische Störung auf der Leiterplatte erzeugte Rauschen wird als Interferenz bezeichnet, d.h. als unerwünschtes Signal außerhalb des Systems. Die Quelle des thermischen Rauschens auf der Leiterplatte sind die elektronischen Komponenten auf der Leiterplatte, darunter Transistoren, Trioden, Widerstände, integrierte Schaltungen usw. In diesem Artikel analysiert und erklärt FS Technology vor allem die Ursachen des thermischen Rauschens innerhalb des Systems.

Der Hochfrequenzwiderstand der PCBA verursacht thermisches Rauschen

Die Erzeugung von Strom ist auf die Bewegung freier Elektronen zurückzuführen. In der Wahrnehmung der meisten Menschen entsteht Strom also nicht aus dem Nichts, sondern erfordert das Anlegen einer Spannung über einem Widerstand. Das bedeutet auch, dass der Strom, der vom Multimeter angezeigt wird, 0 ist, wenn wir keine Spannung an den Widerstand anlegen, wenn er in Ruhe gelassen wird.

FS Technology stellt Ihnen hiermit eine Frage: Wenn der Widerstand ausgesetzt ist, ist das Ergebnis der Strommessung mit einem Multimeter 0. Ist der tatsächliche Wert 0?

Die Antwort ist negativ. Aufgrund von Genauigkeitseinschränkungen können Multimeter den Widerstand nicht messen, wenn keine Spannung anliegt. Wenn wir ein genaueres Millivoltmeter verwenden, um den Widerstand zu messen, werden wir feststellen, dass der Spannungswert über dem Widerstand nicht 0 ist, sondern unregelmäßige Änderungen in der 0-Linie aufweist.

Aktuelle Bewegung der unbestromten PCBA

Diese sprunghafte Veränderung der Spannung deutet darauf hin, dass es im Inneren des Widerstands frei bewegliche Elektronen gibt, die sich unregelmäßig bewegen. Die unregelmäßige Bewegung der Elektronen auf der Leiterplatte ist darauf zurückzuführen, dass die Umgebungstemperatur zu diesem Zeitpunkt nicht gleich absolut 0 Grad ist. Wir nennen dieses unregelmäßige Bewegungsphänomen die thermische Bewegung der Hochfrequenz-Leiterplatte.

Als professioneller PCBA-Hersteller sind wir der Meinung, dass der Widerstand einer Hochfrequenzschaltung in dieser Umgebung nicht nur ein Widerstand ist, sondern ein Widerstand plus eine Signalquelle. Diese Signalquelle ist das, was wir als Rauschquelle bezeichnen.

Merkmale des thermischen Rauschens auf PCB

Das Ausmaß des Rauschens ist temperaturabhängig

Stellen Sie fest, dass das Rauschen Ihrer Elektronik je nach geografischem Standort variiert? Viele Leute denken, dass dies auf ein Signalproblem zurückzuführen ist, und das stimmt wahrscheinlich auch. Wenn sich unser geografischer Standort ändert, ändert sich auch die Umgebungstemperatur, was sich auf die Bewegung der Elektronen in Hochfrequenzschaltungen auswirkt, und diese Änderung ist positiv mit der Temperaturänderung korreliert, d.h. je höher die Temperatur, desto größer das Rauschen, weshalb wir dies den Grund für das thermische Rauschen des Widerstands nennen.

Die thermische Bewegung der Elektronen und die lineare Driftbewegung sind unabhängig voneinander

Zunächst einmal müssen die elektronischen Produkte, die wir verwenden, Schaltkreise enthalten. Das ist unbestreitbar. Mit anderen Worten: Alle Komponenten elektronischer Geräte benötigen eine externe Spannung, damit sie funktionieren. Wenn wir eine konstante Spannung an das elektronische Gerät anlegen, werden die Elektronen in der Leiterplatte zusätzlich zur thermischen Bewegung auch eine gerichtete Driftbewegung unter der Einwirkung des externen elektrischen Feldes ausführen, weshalb wir oft sagen, dass der Strom erzeugt wird. Das bedeutet auch, dass der Widerstand eines funktionierenden Hochfrequenzschaltkreises zwei Ströme enthält. Der eine ist die Spannung, die vom externen Schaltkreis angelegt wird, der andere sind die frei beweglichen Elektronen aufgrund von Wärme. Wenn wir die angelegte Spannung weiter erhöhen, steigt auch die Menge des Stroms, der durch die Platine fließt.

FS Technology wirft hier die zweite Frage auf: Ist es möglich, die thermische Bewegung der Elektronen in elektronischen Geräten zu reduzieren, indem man die Stromstärke erhöht und damit das thermische Rauschen verringert.

Die Antwort ist immer noch nein. Wie der Titel schon sagt, sind die thermische Bewegung der Elektronen in der Leiterplatte und die lineare Driftbewegung unabhängig voneinander, und die thermische Bewegung ist nur von der Temperatur abhängig.

Das thermische Rauschen einer Leiterplatte ist ein Zufallsprozess

Die thermische Bewegung ist eine unregelmäßige Bewegung, so dass sie nicht durch momentane Ausdrücke berechnet werden kann. Normalerweise, PCBA Unternehmen verwenden statistische Gesetze, um das Rauschen von Leiterplatten darzustellen. Nach dem Test hat das thermische Rauschen des Widerstands eine Normalverteilung und ist ein Gauß-Prozess, daher nennen wir es auch Gauß-Rauschen. Je größer der Widerstand der Leiterplatte ist, desto größer ist das Rauschen.

Wenn wir das Rauschverhalten einer Hochfrequenzleiterplatte bewerten, hat das nichts mit der Leiterplatte der Schaltung selbst zu tun, sondern nur mit dem Widerstand und der Umgebungstemperatur. Um das Problem des Rauschens bei Hochfrequenz-Leiterplatten zu lösen, empfiehlt FS Technology, den Einsatz von Widerständen zu Beginn des Schaltungsdesigns zu reduzieren. Wenn Sie sie nicht verwenden können, brauchen Sie sie nicht. Je kleiner Sie sie verwenden können, desto kleiner sind sie auch. Das Hinzufügen von Widerständen ist gleichbedeutend mit dem Hinzufügen einer Rauschquelle auf der Hochfrequenzleiterplatte. 

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