Случайные колебания в электрических сигналах и основные источники шума в электронике.

Введение

Случайные колебания электрического сигнала, фундаментальные шумовые процессы в электронике.

В электронике шум представляет собой нежелательное возмущение в электрическом сигнале. Шум, генерируемый электронными устройствами, значительно варьируется, поскольку возникает под воздействием различных эффектов. В частности, шум является неотъемлемой частью физики и играет центральную роль в термодинамике. Любой проводник с электрическим сопротивлением неизбежно генерирует тепловой шум. Полное устранение теплового шума в электронике возможно только криогенными методами, и даже в этом случае останется квантовый шум. Электронный шум является распространенным компонентом шума в обработке сигналов. В системах связи шум – это ошибка или нежелательное случайное возмущение полезного информационного сигнала в канале связи. Шум представляет собой суммарную нежелательную или мешающую энергию от естественных и иногда искусственных источников. Однако шум обычно отличают от помех, например, при использовании показателей отношения сигнал/шум (SNR), отношения сигнал/помехи (SIR) и отношения сигнал к сумме шума и помех (SNIR). Шум также обычно отличают от искажений, которые представляют собой нежелательные систематические изменения формы сигнала, вносимые оборудованием связи, например, при использовании показателей отношения сигнал к шуму и искажениям (SINAD) и общего коэффициента гармонических искажений плюс шум (THD+N). Хотя шум обычно нежелателен, он может быть полезен в некоторых приложениях, таких как генерация случайных чисел или добавление дрожания. Суммарная мощность некоррелированных источников шума равна сумме мощностей отдельных источников.

Типы шума

Различные типы шума генерируются разными устройствами и разными процессами. Термический шум неизбежен при ненулевой температуре (см. теорему флуктуаций-диссипации), в то время как другие типы зависят главным образом от типа устройства (например, дробовой шум, для возникновения которого требуется крутой потенциальный барьер) или качества изготовления и дефектов полупроводников, таких как флуктуации проводимости, включая шум 1/f.

Термический шум

Шум Джонсона–Найквиста и шум выстрела схожи с шумом, создаваемым дождем, падающим на жестяную крышу. Поток дождя может быть относительно постоянным, но отдельные капли прибывают дискретно. Среднеквадратичное значение тока шума выстрела определяется формулой Шоттки: где I – постоянный ток, q – заряд электрона, а ΔB – полоса пропускания в герцах. Формула Шоттки предполагает независимые события прибытия. Вакуумные лампы демонстрируют шум выстрела, поскольку электроны случайным образом покидают катод и достигают анода (пластины). Лампа может не проявлять полный эффект шума выстрела: наличие пространственного заряда имеет тенденцию сглаживать моменты прибытия (и, следовательно, уменьшать случайность тока). Пентоды и тетроды с экранирующей сеткой демонстрируют больший шум, чем триоды, поскольку катодный ток случайным образом разделяется между экранирующей сеткой и анодом. Проводники и резисторы обычно не демонстрируют шум выстрела, поскольку электроны термализуются и диффузно перемещаются внутри материала; электроны не имеют дискретных моментов прибытия. Шум выстрела был продемонстрирован в мезоскопических резисторах, когда размер резистивного элемента становится меньше длины рассеяния электрон-фононов.

Шум разделителей

Когда ток разделяется между двумя (или более) путями, возникает шум из-за случайных флуктуаций, происходящих при этом разделении. Поэтому транзистор будет иметь больший шум, чем суммарный дробовой шум от его двух PN-переходов.

Шум от мигания

Фликерный шум, также известный как шум 1/f, — это сигнал или процесс, частотный спектр которого закономерно уменьшается с ростом частоты, имея розовый спектр. Он встречается практически во всех электронных устройствах и обусловлен различными факторами.

Шум всплеска

Шум всплесков состоит из внезапных скачкообразных переходов между двумя или более дискретными уровнями напряжения или тока, амплитудой до нескольких сотен микровольт, происходящих в случайные и непредсказуемые моменты времени. Каждое изменение уровня напряжения или тока длится от нескольких миллисекунд до секунд. Он также известен как трескучий шум из-за потрескивающих звуков, которые он создает в аудиосхемах.

Шум во время транзита

Если время, необходимое электронам для прохождения от эмиттера к коллектору в транзисторе, становится сопоставимым с периодом усиливаемого сигнала, то есть на частотах выше ВЧ и выше, возникает эффект времени пролета, и входное сопротивление шума транзистора уменьшается. Начиная с частоты, на которой этот эффект становится заметным, оно возрастает с увеличением частоты и быстро превосходит другие источники шума.

Соединенный шум

В то время как шум может возникать в самой электронной схеме, дополнительная энергия шума может проникать в схему из внешней среды посредством индуктивной или емкостной связи, либо через антенну радиоприемника.

Смягчение

Во многих случаях шум, присутствующий в сигнале в схеме, нежелателен. Существует множество различных методов снижения шума, которые могут уменьшить шум, улавливаемый схемой. Клетка Фарадея – Клетка Фарадея, окружающая схему, может использоваться для изоляции схемы от внешних источников шума. Клетка Фарадея не может устранить источники шума, возникающие внутри самой схемы или поступающие через ее входы, включая источник питания. Ёмкостная связь – Ёмкостная связь позволяет сигналу переменного тока из одной части схемы проникать в другую через взаимодействие электрических полей. Если такая связь нежелательна, ее влияние можно уменьшить за счет улучшения компоновки схемы и заземления. Контуры заземления – При заземлении схемы важно избегать образования контуров заземления. Контуры заземления возникают, когда существует разность потенциалов между двумя точками заземления. Хорошим способом решения этой проблемы является объединение всех проводов заземления в общую шину заземления. Экранированные кабели – Экранированный кабель можно рассматривать как клетку Фарадея для проводки, которая защищает провода от нежелательного шума в чувствительной схеме. Для эффективности экрана необходимо его заземлить. Заземление экрана только с одного конца позволяет избежать контура заземления на самом экране. Витая пара – Скручивание проводов в схеме уменьшает электромагнитные помехи. Скручивание проводов уменьшает размер контура, через который может проходить магнитное поле, создавая ток между проводами. Небольшие контуры могут существовать между скрученными проводами, но магнитное поле, проходящее через эти контуры, индуцирует ток, текущий в противоположных направлениях в чередующихся контурах каждого провода, поэтому результирующий шум отсутствует. Фильтры задерживания полосы – Фильтры задерживания полосы (notch filters) или фильтры подавления полосы пропускания полезны для устранения конкретной частоты шума. Например, электропроводка в здании работает на частоте 50 или 60 Гц. Чувствительная схема будет улавливать эту частоту как шум. Фильтр задерживания полосы, настроенный на частоту сети, может устранить этот шум. Термический шум можно уменьшить путем охлаждения схемы, однако это обычно применяется только в высокоточных и дорогостоящих приложениях, таких как радиотелескопы.

In many cases noise found on a signal in a circuit is unwanted. There are many different noise reduction techniques that can reduce the noise picked up by a circuit. Faraday cage – A Faraday cage enclosing a circuit can be used to isolate the circuit from external noise sources. A Faraday cage cannot address noise sources that originate in the circuit itself or those carried in on its inputs, including the power supply. Capacitive coupling – Capacitive coupling allows an AC signal from one part of the circuit to be picked up in another part through the interaction of electric fields. Where coupling is unintended, the effects can be addressed through improved circuit layout and grounding. Ground loops – When grounding a circuit, it is important to avoid ground loops. Ground loops occur when there is a voltage difference between two ground connections. A good way to fix this is to bring all the ground wires to the same potential in a ground bus. Shielding cables – A shielded cable can be thought of as a Faraday cage for wiring and can protect the wires from unwanted noise in a sensitive circuit. The shield must be grounded to be effective. Grounding the shield at only one end can avoid a ground loop on the shield. Twisted pair wiring – Twisting wires in a circuit will reduce electromagnetic noise. Twisting the wires decreases the loop size in which a magnetic field can run through to produce a current between the wires. Small loops may exist between wires twisted together, but the magnetic field going through these loops induces a current flowing in opposite directions in alternate loops on each wire and so there is no net noise current. Notch filters – Notch filters or band rejection filters are useful for eliminating a specific noise frequency. For example, power lines within a building run at 50 or 60 Hz line frequency. A sensitive circuit will pick up this frequency as noise. A notch filter tuned to the line frequency can remove the noise. Thermal noise can be reduced by cooling of circuits this is typically only employed in high accuracy high value applications such as radio telescopes.

Количественная оценка

Уровень шума в электронной системе обычно измеряется как электрическая мощность N в ваттах или дБм, среднеквадратичное (RMS) напряжение (идентичное стандартному отклонению шума) в вольтах, dBμV или среднеквадратичная ошибка (MSE) в вольтах в квадрате. Примеры единиц измерения уровня электрического шума: dBu, dBm0, dBrn, dBrnC, dBrn(f1 − f2), dBrn(144 линии). Шум также может быть охарактеризован его вероятностным распределением и спектральной плотностью шума N0(f) в ваттах на герц. Шумный сигнал обычно рассматривается как линейное добавление к полезному информационному сигналу. Типичные показатели качества сигнала, связанные с шумом, включают отношение сигнал/шум (SNR или S/N), отношение сигнал к шуму квантования (SQNR) при аналого-цифровом преобразовании и сжатии, отношение пикового сигнала к шуму (PSNR) при кодировании изображений и видео, а также коэффициент шума в каскадных усилителях. В системе аналоговой связи с модуляцией несущей определенное отношение несущей к шуму (CNR) на входе радиоприемника приведет к определенному отношению сигнал/шум в обнаруженном сигнале сообщения. В цифровой системе связи определенное значение Eb/N0 (нормализованное отношение сигнал/шум) приведет к определенной битовой ошибке. Телекоммуникационные системы стремятся увеличить отношение уровня сигнала к уровню шума для эффективной передачи данных. Шум в телекоммуникационных системах является результатом как внутренних, так и внешних источников. Шум – это случайный процесс, характеризующийся стохастическими свойствами, такими как его дисперсия, распределение и спектральная плотность. Спектральное распределение шума может изменяться в зависимости от частоты, поэтому его плотность мощности измеряется в ваттах на герц (Вт/Гц). Поскольку мощность в резистивном элементе пропорциональна квадрату напряжения на нем, напряжение шума (плотность) можно описать, взяв квадратный корень из плотности мощности шума, что дает вольты на корень из герц. Устройства интегральных схем, такие как операционные усилители, обычно указывают эквивалентный уровень входного шума в этих единицах (при комнатной температуре).

The noise level in an electronic system is typically measured as an electrical power N in watts or dBm, a root mean square (RMS) voltage (identical to the noise standard deviation) in volts, dBμV or a mean squared error (MSE) in volts squared. Examples of electrical noise level measurement units are dBu, dBm0, dBrn, dBrnC, and dBrn(f1 − f2), dBrn(144 line). Noise may also be characterized by its probability distribution and noise spectral density N0(f) in watts per hertz. A noise signal is typically considered as a linear addition to a useful information signal. Typical signal quality measures involving noise are signal to noise ratio (SNR or S/N), signal to quantization noise ratio (SQNR) in analog to digital conversion and compression, peak signal to noise ratio (PSNR) in image and video coding and noise figure in cascaded amplifiers. In a carrier modulated passband analogue communication system, a certain carrier to noise ratio (CNR) at the radio receiver input would result in a certain signal to noise ratio in the detected message signal. In a digital communications system, a certain Eb/N0 (normalized signal to noise ratio) would result in a certain bit error rate. Telecommunication systems strive to increase the ratio of signal level to noise level in order to effectively transfer data. Noise in telecommunication systems is a product of both internal and external sources to the system. Noise is a random process, characterized by stochastic properties such as its variance, distribution, and spectral density. The spectral distribution of noise can vary with frequency, so its power density is measured in watts per hertz (W/Hz). Since the power in a resistive element is proportional to the square of the voltage across it, noise voltage (density) can be described by taking the square root of the noise power density, resulting in volts per root hertz Integrated circuit devices, such as operational amplifiers commonly quote equivalent input noise level in these terms (at room temperature).

Дитер

Если источник шума коррелирован с сигналом, например, в случае ошибки квантования, преднамеренное добавление дополнительного шума, называемого дизерингом, может снизить общий уровень шума в полосе частот, представляющей интерес. Эта техника позволяет извлекать сигналы, находящиеся ниже номинального порога обнаружения прибора. Это пример стохастического резонанса.