Что такое электрический шум, и откуда он появляется?
Данная статья дает представление об основных характеристиках и происхождении электрических сигналов, которые всегда у вас есть, но вы почти никогда не хотите, чтобы они присутствовали.
В повседневной жизни в качестве универсального средства для начала и поддержания разговоров у нас есть погода. В мире электроники аналогичную роль может играть шум. Он всегда присутствует и всегда вызывает какие-то проблемы. Если совещание по рассмотрению проекта замедляется, но никто пока не готов отказаться от конференц-зала, всё, что вам нужно сделать, это упомянуть слово на «ш», и дискуссия должна оживиться, по крайней мере, на следующие полчаса. Если ваша новейшая печатная плата работает фантастически хорошо, но вы не хотите выглядеть слишком самоуверенно, когда кто-то приходит и спрашивает вас об этом, просто пожалуйтесь на шум. Если ваша печатная плата не работает, и вы не уверены, почему, обвините в этом шум, который виноват всегда, пока не доказана невиновность.
Что такое шум?
На этот вопрос ответить несколько трудно, если вы попытаетесь действительно углубиться, потому что вы попадаете в философскую сферу, сталкивающуюся с такими вопросами, как «почему жизнь так сложна?» или «почему общая энтропия не может просто уменьшаться время от времени?». Но если вы удовлетворены более поверхностным подходом к этой теме, электрический шум довольно прост.
Вот моя попытка дать определение электрическому шуму с точки зрения схемотехники: Шум – это общее понятие, которое относится к колебаниям напряжения или тока, которые часто являются случайными, обычно с относительно низкой амплитудой, и всегда нежелательны.
Следующие комментарии должны помочь разложить это определение:
- Электромагнитный шум является вездесущим и часто значимым фактором в проектировании схемы, но я ограничил определение напряжением и током, потому что в контексте схемы влияние электромагнитного шума проявляется посредством изменений тока и напряжения.
- Я говорю «часто» случайным, чтобы учесть предсказуемые или периодические шумовые сигналы, такие как помехи 50 Гц. Тем не менее, эта статья фокусируется на фундаментальных явлениях, создающих шум, которые являются случайными (или, точнее говоря, они кажутся случайными людям).
- Амплитуда шумовых сигналов, безусловно, может быть довольно большой, но к этим сигналам я отношу такие явления, как большие переходные процессы, удары молнии или сильные электромагнитные помехи как принадлежащие к отдельной категории.
- Бывают случаи, когда мы можем намеренно генерировать шум (на ум приходит подмешивание в сигнал псевдослучайного шума, «дитеринг»), но я думаю, что приведенное выше определение будет более последовательным, если мы ограничим его нежелательными сигналами. По-моему, шум, который является преднамеренным и полезным, называется «шумом» просто потому, что он напоминает шум; преднамеренный шум больше относится к категории «сигналов», по крайней мере, если судить по его происхождению и назначению, поскольку он создается разработчиком в соответствии с потребностями системы.
Я думаю, что теперь у нас есть хорошее представление о том, что такое шум, что означает, что мы готовы исследовать следующую тему: откуда он появляется?
Причины появления шума
Цель здесь состоит в том, чтобы взглянуть на изначальные причины. Шум может «исходить» откуда угодно: воздух, источник питания, LDO-стабилизатор, импульсный стабилизатор, резистор ... Мы хотим пойти глубже, т.е. к происхождению самого шума, а не к компонентам или к путям, по которым шум проникает в схему.
Тепловой шум, он же шум Джонсона
Это фундаментальное явление, связанное с сопротивлением потоку электронов. Пока мы не начнем проектировать схемы из сверхпроводников, у нас всегда будет тепловой шум потому, что всё имеет хотя бы небольшое сопротивление.
Тепловой шум проявляется в виде случайных колебаний напряжения; он связан с температурой, сопротивлением и шириной полосы частот. Более высокая температура и более высокое сопротивление приводят к более высокой амплитуде шума. «Ширина полосы частот» здесь относится к диапазону частот, которые имеют отношение к схеме. Если вы включите в свой анализ больше частот, то увидите больше тепловых шумов.
Дробовой шум
Электроны на самом деле не «протекают» через проводник. Они как бы сталкиваются друг с другом, при этом потенциальная энергия накапливается, а затем преобразуется в кинетическую энергию каждый раз, когда электрон должен пересечь барьер. (Представьте себе шар, катящийся через серию столкновений, – скорость постоянно меняется, поскольку энергия постоянно переходит из потенциальной в кинетическую, и обратно.)
Эти случайные изменения в движении электронов приводят к соответствующим случайным изменениям тока. Другими словами, к шуму. Дробовой шум в полупроводниках более заметен, чем в проводниках, потому что полупроводники имеют больше барьеров. Более высокий ток приводит к большему дробовому шуму, так же действует и более широкая полоса частот (опять же, если вы включите в анализ больше частот, вы увидите больше шума).
1/f шум, он же фликкер-шум
Насколько я знаю, ученые до сих пор не понимают фликкер-шум. Я не пытаюсь быть в курсе последних исследований, поэтому, может быть, они уже что-то выяснили, но я думаю, что всё еще есть хотя бы частичная тайна, связанная с его основными физическими явлениями.
Суть в том, что фликкер-шум генерируется большинством электронных компонентов и с увеличением частоты уменьшается по амплитуде. Название «1/f» (то есть «обратно пропорциональный частоте») напоминает нам о том, что эта связь между амплитудой и частотой является известной характеристикой фликкер-шума. Как и в случае с дробовым шумом, более высокий ток приводит к большему фликкерному шуму.
Импульсный шум, он же взрывной шум, он же попкорновый шум
Этот тип шума возникает только в полупроводниках, но это не сильно нам помогает, так как полупроводники сейчас повсюду. Дефекты в полупроводниковом материале приводят к резким переходам напряжения или тока. Быстрые переходы содержат высокочастотную энергию, но частота импульсов, возникающих в результате этих переходов, на самом деле довольно низкая:
Вы можете услышать импульсный шум, если вы усиливаете «загрязненный» сигнал и отправляете его на динамик. Он звучит как попкорн (по крайней мере, так его описывают); я никогда не слышал его (или, не понял, что слышал), поэтому я не могу убедиться, что он действительно звучит как попкорн. Благодаря совершенствованию производства полупроводников, в наши дни импульсный шум не является большой проблемой.
Заключение
Данная статья охватывает наиболее значимые источники шума в электронных схемах. Я надеюсь, что теперь у вас есть хорошее представление о физических явлениях, которые вызывают такой ужас среди инженеров-электронщиков. Вы не можете устранить шум, но приведенная выше информация дает вам некоторые идеи о том, как сделать его менее проблемным. Например, для уменьшения теплового шума вы можете использовать резисторы меньшего размера или добавить фильтр для ограничения полосы частот, а методы смещения с малыми токами приводят к снижению дробового шума и фликкер-шума.