高周波用PCBAの熱雑音

高周波PCBAは、その優れた誘電率から、高速かつ正確な信号伝送を必要とする様々なシステムでよく使用されます。一般的な5G基地局やミニドローンPCB用途のほか、高周波回線にも使用されている。本稿では、高周波回路における高周波PCBAに起因する熱雑音の原因を分析し、解決策を提示する。

PCBサーマルノイズの定義

身の回りの電子機器をよく観察してみると、科学的に興味深い現象に気づきます。使っているかどうかにかかわらず、電子機器から何らかのノイズが聞こえてくることがあるのです。私たちはこのノイズを電子熱雑音と呼んでいます。

電子熱雑音は比較的広い概念であり,雑音と干渉を含む。通常、信号伝送以外の不要な信号をノイズ、つまりシステム内部の不要な信号と呼んでいます。一方、基板上の電磁波障害によって発生するノイズを干渉、つまりシステム外部の不要信号と呼んでいます。PCB熱雑音の発生源は、トランジスタ、三極管、抵抗器、集積回路など、回路基板上の電子部品である。この論文では、FSテクノロジーが主にシステム内部の熱雑音の原因を分析し、解説しています。

高周波のPCBAの抵抗で熱雑音が発生する

電流の発生は自由電子の移動によるものなので、多くの人の認識では、電流は無から発生するものではなく、抵抗に電圧をかけることが必要である。このことは、電圧をかけなければ抵抗器を浮かせたままでも、マルチメーターが表示する電流は0であることも意味している。

FSテクノロジーでは、ここに質問をさせていただきます。抵抗値をつり上げた状態で、マルチメータで電流を測定した結果が「0」なのですが、実際の値は「0」なのでしょうか?

答えは「負」です。マルチメータは精度の限界から、電圧がかかっていない状態の抵抗値を測定することができません。より精度の高いミリボルト計で抵抗を測定すると、抵抗にかかる電圧値は0ではなく、0ラインで不規則な変化を示すことがわかります。

無電源PCBAの電流動作

この電圧の不規則な変化は、抵抗器の中に自由に動く電子があり、不規則な動きをしていることを示している。回路基板の電子が不規則に動くのは、この時の周囲温度が絶対0度に等しくないからです。この不規則な運動現象を、熱運動と呼んでいます。 高周波プリント基板.

PCBAのプロである私たちから見ると、この環境下での高周波回路の抵抗は、単なる抵抗ではなく、抵抗に信号源を加えたものである。この信号源こそが、私たちがノイズ源と呼んでいるものです。

プリント基板の熱雑音の特徴

ノイズの大きさは温度依存性

電子機器のノイズが地域によって異なると感じることはないでしょうか。信号の問題が原因だと考える人が多いようですが、それはおそらく事実でしょう。地理的な位置が変わると周囲の温度も変化し、それが高周波回路の電子の動きに影響を与え、この変化は温度の変化と正相関、つまり温度が高いほどノイズが大きくなることから 抵抗器の熱雑音が発生する理由と呼んでいるのです。

電子の熱運動と直線ドリフト運動は互いに独立している

まず、私たちが使っているエレクトロニクス製品には、必ず回路が入っています。これは紛れもない事実である。つまり、電子機器を構成するすべての部品は、それを動作させるために外部からの電圧印加が必要なのである。電子機器に一定の電圧を入力すると、熱運動に加えて、プリント基板内の電子が外部電界の作用で方向性を持ったドリフト運動をすることになり、これがよく「電流が発生する」と言われる理由である。このことは、動作中の高周波回路の抵抗には、外部回路から印加される電圧と、熱による自由運動する電子の2つの電流が含まれていることも意味する。印加する電圧の量を増やし続けると、基板を流れる電流の量も増えていく。

FSテクノロジーは、ここで2つ目の疑問を投げかける。電子デバイスの電子の熱運動を電流量を増やすことで抑制し、熱雑音を低減することはできないか。

答えはやはりNOで、タイトルにあるようにPCB内の電子の熱運動と直線ドリフト運動は互いに独立しており、熱運動は温度としか関係しないのです。

基板の熱雑音はランダムなプロセスである

熱運動は不規則な運動であるため、瞬間的な表現では計算できない。通常は PCBA の会社では、PCBのノイズを統計的法則で表現しています。テストの結果、抵抗熱雑音は正規分布を持ち、ガウス過程であるため、ガウス雑音とも呼ぶ。基板の抵抗値が大きいほど、ノイズは大きくなる。

高周波プリント基板のノイズ性能を評価する場合、回路のプリント基板そのものは関係なく、抵抗値と周囲温度だけが関係してきます。高周波プリント基板のノイズの問題を解決するために、FSテクノロジーでは、回路設計の初期段階で抵抗の使用を減らすことを推奨しています。使えないのであれば、いらない。使えるなら、もっと小さくてもいい。抵抗を追加することは、高周波PCBAにノイズ源を追加することと同じです。 

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