Тепловой шум в электронике

С изменением ландшафта коммуникационных технологий и потребностей в связи растет спрос на высокочастотные схемы в современной электронике, используемые в различных системах, требующих высокоскоростной и точной передачи сигналов. Однако в процессе применения возникают проблемы, связанные с тепловым шумом из-за частого переключения компонентов и других факторов. В результате производительность систем высокочастотных цепей значительно снижается, что представляет угрозу для их надежности. В этой статье FS Technology рассмотрит проблему тепловой шум чтобы помочь Вам смягчить эту угрозу.

Что такое тепловой шум в электронике

Если Вы внимательно понаблюдаете за окружающей Вас электроникой, то заметите интригующий научный феномен: Вы можете услышать некоторый шум независимо от того, активно ли Вы ее используете. Это интригующее явление - тепловой шум, также известный как шум теплового возбуждения, который обычно является результатом случайных колебаний напряжения и тока, вызванных температурой.

"Электронный тепловой шум" - это широкое понятие, которое включает в себя как шум, так и помехи. Как правило, нежелательные сигналы, генерируемые в системе, называются шумом, который выходит за рамки передачи сигнала. Между тем, электромагнитные помехи, возникающие от электронных компонентов на печатных платах, включая транзисторы, диоды, резисторы и интегральные схемы, можно назвать помехами. Эти помехи являются нежелательными внешними сигналами для системы.

Тепловой шум при выключенном питании

В предыдущем обсуждении был затронут интересный вопрос: существование теплового шума даже тогда, когда схема не питается. Это может показаться контринтуитивным, но это действительно реальное явление. Генерация электрического тока обусловлена движением свободных электронов, а свободные электроны не появляются из воздуха; для создания тока им требуется напряжение, приложенное к клеммам цепи. Другими словами, если резистор не подключен, и к нему не приложено внешнее напряжение, результат измерения мультиметром будет равен 0.

Точен ли результат измерения мультиметром в этом случае?

Ответ на этот вопрос неясен. В определенных условиях, например, при высокой температуре или воздействии высокоэнергетического излучения частиц, электроны могут приобретать достаточно энергии без необходимости подачи внешнего напряжения (хотя такое случается реже). Что касается того, почему мультиметр показывает 0, то это потому, что движение электронов внутри резистора очень слабое, и из-за ограничений по точности он не может измерить истинный результат. Если бы Вы использовали более точный прибор, Вы бы обнаружили, что напряжение на выводах резистора не равно 0, а имеет нерегулярные колебания вблизи линии 0.

Текущее движение без силы

Это неравномерное движение электронов часто связано с температурой окружающей среды. В условиях высокой температуры тепловое движение электронов усиливается, что приводит к появлению крошечных токов в цепи. В таких случаях, даже если никакие устройства не работают, если Ваш высокочастотная печатная плата Если у него есть недостатки, это может привести к проблемам с тепловым шумом.

Характеристики теплового шума

Зависит от температуры

Возможно, Вы замечали, что при изменении географического расположения электронных устройств могут возникать проблемы с шумами. Многие люди могут списать это на проблемы с сигналом, и такая точка зрения может быть верной. На самом деле, изменение географического положения часто сопровождается изменением температуры окружающей среды, что потенциально может повлиять на движение электронов в высокочастотных цепях. Эти изменения положительно коррелируют с температурой, а это значит, что повышение температуры может привести к увеличению шума.

Тепловое движение и линейное дрейфовое движение

Прежде всего, нам необходимо прояснить основные принципы работы электронных устройств: для функционирования различных компонентов электронных устройств требуется внешнее напряжение, включая электронные элементы на печатной плате. Когда мы подаем внешнее напряжение на электронные устройства, электроны внутри них подвергаются воздействию электрического поля, в результате чего возникает направленный электрический ток - это фундаментальный принцип работы цепей. Этот процесс не зависит от температуры, поскольку в первую очередь управляется внешним напряжением.

Одновременно электроны внутри электронных компонентов также испытывают тепловое движение под воздействием температуры. Это тепловое движение возникает в результате неравномерного, высокоскоростного движения электронов внутри материалов. Тепловое движение и генерация тока в цепи - это два независимых явления, которые не влияют друг на друга. Тепловое движение электронов зависит исключительно от температуры и не зависит от величины тока.

Поэтому увеличение силы тока не уменьшит тепловое движение электронов. Независимо от величины тока, пока температура достаточно высока, электроны будут продолжать беспорядочно двигаться внутри материала из-за теплового движения, что приведет к тепловому шуму.

Случайный процесс

Тепловое движение - это нерегулярное движение, и его нельзя рассчитать с помощью мгновенных выражений; вместо этого для описания электронного теплового шума используются статистические законы. Было проверено, что тепловой шум резисторов следует нормальному распределению, что является гауссовым процессом, поэтому мы также называем его гауссовым шумом. Чем больше сопротивление на печатной плате, тем больше шум.

При оценке шумовых характеристик схемы они не зависят от самой печатной платы, а скорее зависят от сопротивления и температуры окружающей среды. Чтобы решить проблемы теплового шума, Технология FS рекомендует минимизировать использование резисторов на начальном этапе проектирования высокочастотных цепей. Если они Вам не нужны, не используйте их, или уменьшите их количество и сопротивление.

Похожие блоги

Таймер прерывания Arduino UNO

Таймер прерывания Arduino UNO Таймер - это функция, встроенная в каждый микроконтроллер и выполняющая определенные функции, связанные с течением времени. Функция таймера

Читать далее "
Аппаратные характеристики ESP32: вывод, преобразователь и процессор

Аппаратные характеристики ESP32: вывод, преобразователь и процессор ESP32, разработанный компанией Shanghai Espressif Systems, - это недорогой микроконтроллер с низким энергопотреблением, широко используемый в Интернет

Читать далее "
Лучшие программы для проектирования макетов печатных плат: Какая программа лучше для Вас

Лучшие программы для проектирования макетов печатных плат: Какая программа лучше для Вас В Китае есть поговорка: "Наточи топор, прежде чем рубить дрова". Это означает, что

Читать далее "
Рекомендации по печатной плате клавиатуры для горячей замены

Рекомендации по печатной плате с горячей заменой клавиатуры Традиционные платы PCBA полагаются на процесс пайки для надежного крепления компонентов к поверхности печатной платы. В то время как

Читать далее "