Що з усім цим шумом?

Люди часто говорять про шум в ланцюгах. Дешеві підсилювачі шуміть , працюючий двигун може створювати шум на джерелі живлення, і багато аналогових мікросхем справляються зі співвідношенням сигнал / шум (тобто: намагаються утримати низький рівень шуму ).

Моя інтуїція полягає в тому, що шум - це наявність сигналів на частотах, які нас не цікавлять. (Це може бути, а може і не так.) Однак я не знаю, звідки цей шум.

Як з’являється електричний шум? Що це породжує? Як я можу його позбутися?

Наявність потужності на частотах, які вас не цікавлять, легко відфільтрувати. Присутність живлення на частотах, які вас цікавлять, є проблемою, оскільки це не може бути відфільтровано.

Існує кілька основних джерел шуму . Хоча це залежить від того, про який контекст ви говорите - такі речі, як перешкоди або перехресні розмови, можна вважати шумом у контексті, скажімо, співвідношення сигнал / шум, але коли ви будуєте "підсилювач з низьким рівнем шуму" , це стосується внутрішніх джерел шуму.

Одне джерело шуму, яке неминуче, - це тепловий шум . Будь-який предмет, який не сидить в абсолютному нулі, поводиться як чорне тіло і випромінює електромагнітне випромінювання. Це проблема для радіочастотного зв'язку на великій відстані, оскільки випромінювання чорного тіла від землі, будівель тощо з’явиться в зоні інтересу і поставить «підлогу» на рівень сигналу, який ви можете отримати. Цей шум більш-менш рівний до 80 ГГц, тому потужність шуму просто пропорційна пропускній здатності та температурі. Тепловий шум в електроніці називається шумом Джонсона. Шум Джонсона генерується електронами (або іншими носіями заряду), що хитаються навколо, не знаходячись на абсолютному нулі. Це може моделюватися як джерело напруги послідовно або джерело струму паралельно кожному резистору в ланцюзі. Шум Джонсона пропорційний ширині смуги, температури та опору.

Шум від пострілу - це дуже різний тип шуму, який виникає, коли заряди рухаються через зазор (вакуумну трубку) або через напівпровідниковий перехід (діод, BJT). Оскільки носії заряду дискретні (їх можна порахувати), заряд необхідно вимірювати в цих квантованих одиницях. Коли струм тече, ціле число носіїв заряду рухатиметься, прибуваючи з випадковими інтервалами. Для великих струмів флуктуація настільки мала, що в основному не виявляється. Однак для дуже малих струмів струм буде протікати в серії «імпульсів», по одному на кожен електрон. В результаті шум від пострілу стає великою проблемою при низькому рівні сигналу. Шум пострілу білий; Це означає, що вона не залежить від частоти, а загальна потужність шуму пропорційна пропускній здатності.

Шум мерехтіння , або шум 1 / ф - це інший, різний тип шуму. Це відбувається в електронних пристроях, крім шуму Джонсона та шуму від пострілу. Шум мерехтіння називається шумом 1 / ф, оскільки потужність шуму пропорційна оберненій частоті - висока на низьких частотах і низька на високих частотах. Зазвичай шум мерехтіння залежить від рівня постійного струму.

Інші джерела шуму зустрічаються трохи рідше, наприклад, шум лавин . Шум лавини викликається лавиновим зривом. Під час лавинного пробою струмуючі електрони вивільняють більше електронів і створюють експоненціально зростаючий струм. Такі пристрої, як лавинні фотодетектори, використовують цей ефект для виявлення невеликої кількості фотонів шляхом зміщення пристрою прямо на межі лавинного пробою, тому невелика кількість фотонів, що потрапляють на детектор, випустить достатню кількість електронів, щоб спровокувати зрив. Струм потоку під час лавинного ламання дуже галасливий. Насправді настільки шумно, що лавинові діоди використовуються як джерела радіочастотного шуму для тестування різних радіочастотних компонентів.

Перехресні перешкоди, інтерференція та інтермодуляція також є джерелами небажаних сигналів, але технічно це не шум. Перехресні перешкоди та перешкоди - небажані сигнали, що надходять із зовнішніх джерел. Інтермодуляція походить від нелінійностей і призводить до того, що сусідні канали в тому ж середовищі накладаються один на одного. Це головна проблема при спробі передачі великої кількості каналів паралельно, коли вони змішуються один з одним. Як правило, це 2 Fa - Fb. Наприклад, якщо я передаю два канали з інтервалом 1 кГц на 1 МГц, то я передаю 1.000 МГц на 1.001 МГц. IMD означає, що я отримаю деяку потужність на 2 * 1.000 - 1.001 = 0.999 МГц і 2 * 1.001 - 1.000 = 1.002 МГц, що буде заважати суміжним каналам на одному інтервалі.