Was ist mit all dem Lärm?

In Schaltkreisen wird oft über Rauschen gesprochen . Billige Operationsverstärker sind laut , ein laufender Motor kann Störungen in der Versorgung verursachen, und viele analoge Schaltkreise beschäftigen sich mit dem Signal- Rausch- Verhältnis (dh: Versuchen, das Grundrauschen niedrig zu halten ).

Meine Intuition ist, dass Rauschen das Vorhandensein von Signalen bei Frequenzen ist, an denen wir nicht interessiert sind. (Dies mag richtig sein oder auch nicht.) Ich weiß jedoch nicht, woher dieses Rauschen kommt.

Wie tritt elektrisches Rauschen auf? Was erzeugt es? Wie werde ich es los?

Das Vorhandensein von Strom bei Frequenzen, an denen Sie nicht interessiert sind, kann leicht herausgefiltert werden. Das Vorhandensein von Strom bei Frequenzen, an denen Sie interessiert sind, ist das Problem, da dies nicht herausgefiltert werden kann.

Es gibt mehrere Hauptlärmquellen . Es hängt jedoch davon ab, über welchen Kontext Sie sprechen - Dinge wie Interferenz oder Übersprechen können im Kontext des Signal-Rausch-Verhältnisses als Rauschen betrachtet werden, aber wenn Sie einen "rauscharmen Verstärker" bauen bezieht sich dies auf intrinsische Geräuschquellen.

Eine unvermeidbare Geräuschquelle ist thermisches Geräusch . Jedes Objekt, das nicht auf dem absoluten Nullpunkt sitzt, verhält sich wie ein schwarzer Körper und strahlt elektromagnetische Strahlung aus. Dies ist ein Problem für die HF-Kommunikation über große Entfernungen, da die Strahlung des schwarzen Körpers vom Boden, von Gebäuden usw. im interessierenden Bereich erscheint und den Pegel des empfangenen Signals unterschreitet. Dieses Rauschen ist bis etwa 80 GHz mehr oder weniger flach, sodass die Rauschleistung einfach proportional zur Bandbreite und Temperatur ist. Thermisches Rauschen in der Elektronik wird als Johnson-Rauschen bezeichnet. Johnson-Rauschen wird von Elektronen (oder anderen Ladungsträgern) erzeugt, die sich bewegen, weil sie nicht auf dem absoluten Nullpunkt sind. Dies kann als Spannungsquelle in Reihe oder als Stromquelle parallel zu jedem Widerstand in einer Schaltung modelliert werden. Johnson-Rauschen ist proportional zu Bandbreite, Temperatur und Widerstand.

Schrotrauschen ist eine ganz andere Art von Rauschen, das auftritt, wenn sich Ladungen über einen Spalt (Vakuumröhre) oder durch einen Halbleiterübergang (Diode, BJT) bewegen. Da Ladungsträger diskret sind (Sie können sie zählen), muss die Ladung in diesen quantisierten Einheiten gemessen werden. Wenn ein Strom fließt, bewegt sich eine ganze Zahl von Ladungsträgern in zufälligen Intervallen. Bei großen Strömen ist die Schwankung so gering, dass sie grundsätzlich nicht nachweisbar ist. Bei sehr kleinen Strömen fließt der Strom jedoch in einer Reihe von "Impulsen", einen für jedes Elektron. Infolgedessen wird das Schussrauschen bei niedrigen Signalpegeln zu einem großen Problem. Schussrauschen ist weiß; Dies bedeutet, dass es frequenzunabhängig ist und die gesamte Rauschleistung proportional zur Bandbreite ist.

Flimmern oder 1 / f-Rauschen ist eine andere Art von Rauschen. Dies tritt bei elektronischen Geräten zusätzlich zu Johnson-Rauschen und Schussgeräuschen auf. Flimmerrauschen wird als 1 / f-Rauschen bezeichnet, da die Rauschleistung proportional zur Inversen der Frequenz ist - sie ist bei niedrigen Frequenzen hoch und bei hohen Frequenzen niedrig. Im Allgemeinen ist das Flimmerrauschen vom Gleichstrompegel abhängig.

Andere Geräuschquellen wie Lawinengeräusche sind etwas seltener . Lawinengeräusche werden durch Lawinenzusammenbruch verursacht. Während des Lawinenzusammenbruchs setzen fließende Elektronen mehr Elektronen frei und erzeugen einen exponentiell wachsenden Strom. Geräte wie Lawinenphotodetektoren nutzen diesen Effekt, um eine geringe Anzahl von Photonen zu detektieren, indem sie das Gerät direkt am Rand des Lawinendurchbruchs vorspannen, sodass eine geringe Anzahl von Photonen, die auf den Detektor treffen, genügend Elektronen freisetzen, um den Durchbruch auszulösen. Der Stromfluss während des Lawinenzusammenbruchs ist sehr laut. Tatsächlich ist es so laut, dass Lawinendioden als HF-Rauschquellen zum Testen verschiedener HF-Komponenten verwendet werden.

Übersprechen, Interferenz und Intermodulation sind ebenfalls Quellen für unerwünschte Signale, aber technisch gesehen kein Rauschen. Übersprechen und Interferenzen sind unerwünschte Signale von externen Quellen. Intermodulation kommt von Nichtlinearitäten und bewirkt, dass benachbarte Kanäle im selben Medium übereinandergelegt werden. Dies ist ein Hauptproblem, wenn versucht wird, eine große Anzahl von Kanälen parallel zu übertragen, wenn sie miteinander gemischt werden. Im Allgemeinen ist dies 2 Fa - Fb. Wenn ich zum Beispiel zwei Kanäle mit 1 kHz Abstand auf 1 MHz sende, sende ich 1.000 MHz und 1.001 MHz. IMD bedeutet, dass ich 2 * 1.000 - 1.001 = 0.999 MHz und 2 * 1.001 - 1.000 = 1.002 MHz einschalten werde, was benachbarte Kanäle im gleichen Abstand stören würde.