Что со всем этим шумом?

14

Люди часто говорят о шуме в цепях. Дешевые операционные усилители шумят , работа двигателя может создавать помехи в источнике питания, и многие аналоговые схемы имеют дело с отношением сигнал / шум (т. Е. Пытаются поддерживать минимальный уровень шума ).

Моя интуиция заключается в том, что шум - это присутствие сигналов на частотах, которые нам не интересны. (Это может или не может быть правильным.) Однако я не знаю, откуда этот шум.

Как появляется электрический шум? Что порождает это? Как мне от этого избавиться?

Грег д'Эон
источник
4
Мне нравится делить шум на две категории: основной шум. (Шум Джонссона, шум выстрела, шум 1 / f (возможно) и технический шум (помехи, вибрации ... список может быть почти бесконечным.) Вы в значительной степени застряли с основным шумом ... хотя вы можете делать сумасшедшие вещи, такие как снизить температуру. Технический шум можно уменьшить с помощью хороших методов.
Джордж Херольд
@GeorgeHerold Почему «возможно» на фликкер-шум?
Спехро Пефхани
@SpehroPefhany, ну 1 / f, мерцание, поп-корн шум кажется мне промежуточным. Как пользователь IC, я ничего не могу с этим поделать, но с лучшей техникой производители микросхем могут сделать (кое-что) лучше. Так что это своего рода технический шум для разработчиков IC.
Джордж Херольд
@ GeorgeHerold Я согласен с вашим отделом, но я думаю, что хороший разработчик чипов может многое сделать, чтобы уменьшить фундаментальный шум. CDS или измельчение для 1 / f, например, отфильтровывая тепловые шумы, которые будут складываться при микшировании или что-то в этом роде ...
Владимир Краверо
6
Интересно отметить, что именно этот вопрос, заданный инженерами, работавшими в Bell Labs в 60-х годах, когда они пытались устранить все шумы из своих цепей и отказали, привел к открытию космического фонового излучения. Что подтвердило теорию большого взрыва. И привело к тому, что астрономы построили гигантские радиоантенны и назвали их «телескопами».
Slebetman

Ответы:

29

Присутствие энергии на частотах, которые вас не интересуют, может быть легко отфильтровано. Проблема заключается в наличии мощности на частотах, которые вас интересуют, поскольку это невозможно отфильтровать.

Есть несколько основных источников шума . Однако это зависит от контекста, о котором вы говорите - такие вещи, как помехи или перекрестные помехи, могут рассматриваться как шум в контексте, скажем, отношения сигнал / шум, но когда вы создаете «малошумящий усилитель». , это относится к внутренним источникам шума.

Одним из неизбежных источников шума является тепловой шум . Любой объект, который не сидит в абсолютном нуле, ведет себя как черное тело и излучает электромагнитное излучение. Это проблема для радиочастотной связи на большие расстояния, потому что излучение черного тела от земли, зданий и т. Д. Появится в интересующей полосе и поставит «пол» на уровень сигнала, который вы можете получить. Этот шум более или менее ровный, примерно до 80 ГГц, поэтому мощность шума просто пропорциональна ширине полосы и температуре. Тепловой шум в электронике называется шум Джонсона, Шум Джонсона генерируется электронами (или другими носителями заряда), которые колеблются вокруг из-за отсутствия абсолютного нуля. Это может быть смоделировано как источник напряжения последовательно или источник тока параллельно с каждым резистором в цепи. Шум Джонсона пропорционален ширине полосы, температуре и сопротивлению.

Дробовой шум - это совершенно другой тип шума, который возникает, когда заряды движутся через зазор (вакуумная трубка) или через полупроводниковый переход (диод, BJT). Поскольку носители заряда являются дискретными (их можно сосчитать), заряд должен измеряться в этих квантованных единицах. Когда течет ток, целое число носителей заряда будет двигаться, поступая через случайные интервалы. Для больших токов флуктуации настолько малы, что их практически невозможно обнаружить. Однако при очень малых токах ток будет течь в виде серии «импульсов», по одному на каждый электрон. В результате, шум от выстрела становится большой проблемой при низких уровнях сигнала. Выстрел шум белый; Это означает, что он не зависит от частоты, а общая мощность шума пропорциональна ширине полосы.

Фликкер-шум , или шум 1 / f , является другим, другим типом шума. Это происходит в электронных устройствах, помимо шума Джонсона и дробового шума. Фликкер-шум называется шумом 1 / f, потому что мощность шума пропорциональна инверсии частоты - она ​​высокая на низких частотах и ​​низкая на высоких частотах. Обычно шум мерцания зависит от уровня постоянного тока.

Другие источники шума немного менее распространены, такие как лавинный шум . Лавинный шум вызван срывом лавины. Во время лавинного пробоя текущие электроны высвобождают больше электронов и создают экспоненциально растущий ток. Такие устройства, как лавинные фотоприемники, используют этот эффект для обнаружения небольшого количества фотонов, смещая устройство только на краю пробоя лавины, поэтому небольшое количество фотонов, попадающих в детектор, высвобождает достаточно электронов, чтобы вызвать пробой. Течение при пробое лавины очень шумное. На самом деле, это настолько шумно, что лавинные диоды используются в качестве источников радиочастотного шума для тестирования различных радиочастотных компонентов.

Перекрестные помехи, помехи и интермодуляция также являются источниками нежелательных сигналов, но технически они не являются помехами. Перекрестные помехи и помехи - это нежелательные сигналы, поступающие от внешних источников. Интермодуляция происходит из-за нелинейностей и заставляет соседние каналы в одной и той же среде накладываться друг на друга. Это является серьезной проблемой при попытке передачи большого количества каналов параллельно, когда они смешиваются друг с другом. Обычно это 2 Fa - Fb. Например, если я передаю два канала с интервалом 1 кГц на 1 МГц, то я передаю 1.000 МГц и 1.001 МГц. IMD означает, что я получу некоторую мощность на 2 * 1.000 - 1.001 = 0.999 МГц и 2 * 1.001 - 1.000 = 1.002 МГц, что будет мешать соседним каналам на том же расстоянии.

alex.forencich
источник
1
Хорошо, одна вещь о шуме выстрела. Не все токи показывают шум выстрела. Таким образом, ток от батареи и резистора не будет иметь посторонних шумов, хотя по-прежнему шум Джонсона резистора. Вставьте смещенный вперед PN-диод в ту же схему, и он покажет шум выстрела ... или ток с фотодиода с светящимся на нем светом. Дробовой шум возникает при случайном процессе в генерации тока, тепловом возбуждении в pn-диоде, фотовозбуждении в фотодиоде. Странно как-то.
Джордж Херольд
Что ж, электроны квантуются, поэтому везде, где течет ток, вы будете видеть шум выстрела. Но вам может понадобиться очень маленький ток - например, диапазон pA. Однако некоторые устройства производят шум при значительно более высоких токах. Я считаю, что это более очевидно в диоде из-за падения напряжения на переходе.
alex.forencich
Возможно, вы захотите посмотреть на «твердотельный выстрел» Рольфа Ландауэра. Это немного на высоком конце, будучи от теоретика. Но, на ваш взгляд, я измерил шум от фотодиодов (и нашел заряд электрона), а также искал тот же шум в ситуации с резисторами, о которой я упоминал выше. Нада. (Ну, в резисторах с напряжением на них очень мало лишнего шума, но он намного ниже уровня шума выстрела ... есть бумага от LIGO ... (поиск "шум от тока резистора")
Джордж Херольд
Ах, я вижу - это разрыв или полупроводниковый переход, который создает дробовой шум. Без зазора электроны могут течь более плавно. Что касается избыточного шума в резисторах, они проявляют фликкер-шум, но это зависит от типа резистора.
alex.forencich
О, хорошо, да, поток электричества в проводах и вещах намного более плавный, чем прыгающие вокруг электроны. С этим трудно справиться, когда ты пытаешься глубоко задуматься над этим. Модель, которую Ландауэр предлагает для объемных резисторов, если мы хотим подумать о каком-то отдельном электроне, проходящем через весь резистор, заключается в том, что каждое событие рассеяния этих электронов создает и импульс E-поля на электроде резистора, а шум дроби уменьшается на часть, которая идет как длина рассеяния / длина резистора.
Джордж Герольд