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信號與噪聲的邊界:電阻熱噪聲對精密電路的終極挑戰(zhàn)

發(fā)布時(shí)間:2025-03-24 來源:DigiKey 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電阻的熱噪聲(或約翰遜噪聲,或奈奎斯特噪聲,或約翰遜-奈奎斯特噪聲)是由構(gòu)成電阻的原子內(nèi)部和原子之間的電荷載流子的自 然隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。


電阻的熱噪聲(或約翰遜噪聲,或奈奎斯特噪聲,或約翰遜-奈奎斯特噪聲)是由構(gòu)成電阻的原子內(nèi)部和原子之間的電荷載流子的自 然隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。無論組成如何,它在所有電阻中都是相等的,并且其均方根振幅由以下等式描述:


信號與噪聲的邊界:電阻熱噪聲對精密電路的終極挑戰(zhàn)


其中:

  • Vn = 均方根噪聲電壓
  • KB=玻爾茲曼常數(shù)=1.38 x 10-23
  • T=絕對溫度(°K)
  • R=電阻值(Ω)
  • B=測量噪聲的帶寬(Hz)


例如,在室溫(300°K)下,1KΩ電阻在20Hz-20kHz的標(biāo)準(zhǔn)音頻帶寬上產(chǎn)生的噪聲可計(jì)算為:


信號與噪聲的邊界:電阻熱噪聲對精密電路的終極挑戰(zhàn)


該數(shù)字表示直流電壓的值,該電壓將向電阻負(fù)載提供與所討論的噪聲信號相同的功率。電阻上出現(xiàn)的最大瞬時(shí)噪聲電壓幅值在嚴(yán)格意義上不受限制,因?yàn)樗怯呻S機(jī)過程驅(qū)動(dòng)的,但觀察到峰值振幅超過某個(gè)值的可能性隨著閾值的增加而降低。通常使用6.6倍均方根值的系數(shù)來估算峰間熱噪聲值;熱噪聲的瞬時(shí)值應(yīng)等于或低于99.9%(時(shí)間)均方根值的6.6倍。


信號與噪聲的邊界:電阻熱噪聲對精密電路的終極挑戰(zhàn)

各種封裝形式的通孔電阻(不按比例)


信號與噪聲的邊界:電阻熱噪聲對精密電路的終極挑戰(zhàn)

各種封裝形式的表面安裝電阻(不按比例)


熱噪聲通常也用噪聲密度表示,方法是將帶寬項(xiàng)帶到上面等式的左側(cè):


信號與噪聲的邊界:電阻熱噪聲對精密電路的終極挑戰(zhàn)


結(jié)果通常以納伏每平方根赫茲的單位表示,然后可以針對估計(jì)的工作溫度(通常約300°K)進(jìn)行計(jì)算,并用作與電路中其他噪聲源(例如運(yùn)算放大器的輸入電壓噪聲)進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。

電阻的噪聲可以分為以下幾種類型:


1. 熱噪聲:由于電阻器內(nèi)部存在電子的熱運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致電子在電阻器內(nèi)部發(fā)生碰撞,產(chǎn)生隨機(jī)的電壓和電流波動(dòng),即熱噪聲。其噪聲功率譜密度為常數(shù)。
2. 1/f噪聲:指隨著頻率降低而噪聲功率譜密度增加的噪聲。其原因是電阻器內(nèi)部存在許多缺陷,導(dǎo)致電子在這些缺陷處發(fā)生反射和散射,產(chǎn)生1/f噪聲。
3. 互感噪聲:當(dāng)電阻器與其他電路元件連接時(shí),由于存在互感作用,導(dǎo)致電阻器內(nèi)部產(chǎn)生噪聲。其噪聲功率譜密度隨頻率增加而增加。
4. 外部噪聲:指來自電源、信號線、天線等外部環(huán)境的電磁干擾和機(jī)械振動(dòng)引起的噪聲。

文章來源:DigiKey


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