Что со всем этим шумом?

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?

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.