Cos'è tutto questo rumore?

Le persone parlano spesso di rumore nei circuiti. Gli amplificatori operazionali a basso costo sono rumorosi , il funzionamento di un motore può creare rumore sull'alimentazione e molti circuiti analogici si occupano del rapporto segnale- rumore (ovvero: cercare di mantenere basso il livello di rumore ).

La mia intuizione è che il rumore è la presenza di segnali a frequenze che non ci interessano. (Questo può o non può essere giusto.) Tuttavia, non so da dove provenga questo rumore.

Come appare il rumore elettrico? Cosa lo genera? Come posso liberarmene?

La presenza di potenza alle frequenze che non ti interessano può essere facilmente filtrata. La presenza di potenza alle frequenze a cui SEI è interessato è il problema, in quanto non può essere filtrato.

Esistono diverse principali fonti di rumore . Dipende dal contesto di cui stai parlando, tuttavia, cose come l'interferenza o il cross-talk possono essere considerate rumore nel contesto, per esempio, del rapporto segnale-rumore, ma quando costruisci un "amplificatore a basso rumore" , questo si riferisce a fonti intrinseche di rumore.

Una fonte di rumore inevitabile è il rumore termico . Qualsiasi oggetto che non si trova allo zero assoluto si comporta come un corpo nero e irradia radiazioni elettromagnetiche. Questo è un problema per le comunicazioni RF a lungo raggio perché la radiazione del corpo nero da terra, edifici, ecc. Apparirà nella banda di interesse e metterà un "pavimento" sul livello del segnale che è possibile ricevere. Questo rumore è più o meno piatto fino a circa 80 GHz, quindi la potenza del rumore è semplicemente proporzionale alla larghezza di banda e alla temperatura. Il rumore termico nell'elettronica è chiamato rumore Johnson. Il rumore di Johnson è generato da elettroni (o altri portatori di carica) che oscillano a causa del non essere allo zero assoluto. Questo può essere modellato come una sorgente di tensione in serie o una sorgente di corrente in parallelo con ciascuna resistenza di un circuito. Il rumore Johnson è proporzionale alla larghezza di banda, alla temperatura e alla resistenza.

Il rumore da sparo è un tipo di rumore molto diverso che si verifica quando le cariche si muovono attraverso uno spazio (tubo a vuoto) o attraverso una giunzione a semiconduttore (diodo, BJT). Poiché i portatori di carica sono discreti (puoi contarli), la carica deve essere misurata in queste unità quantizzate. Quando scorre una corrente, un numero intero di portatori di carica si sposterà, arrivando ad intervalli casuali. Per le grandi correnti, la fluttuazione è così piccola che praticamente non è rilevabile. Tuttavia, per correnti molto piccole, la corrente scorrerà in una serie di "impulsi", uno per ciascun elettrone. Di conseguenza, il rumore di sparo diventa un grosso problema a bassi livelli di segnale. Il rumore di sparo è bianco; nel senso che è indipendente dalla frequenza e la potenza complessiva del rumore è proporzionale alla larghezza di banda.

Il rumore di sfarfallio , o rumore 1 / f , è un altro, diverso tipo di rumore. Ciò si verifica nei dispositivi elettronici, oltre al rumore Johnson e al rumore degli spari. Il rumore di sfarfallio è chiamato rumore 1 / f perché la potenza del rumore è proporzionale all'inverso della frequenza: è alta alle basse frequenze e bassa alle alte frequenze. Generalmente il rumore di sfarfallio dipende dal livello CC.

Altre fonti di rumore sono un po 'meno comuni, come il rumore da valanga . Il rumore delle valanghe è causato dalla rottura delle valanghe. Durante la rottura delle valanghe, gli elettroni che fluiscono rilasciano più elettroni e creano una corrente in crescita esponenziale. Dispositivi come i fotorilevatori a valanga utilizzano questo effetto per rilevare piccoli numeri di fotoni polarizzando il dispositivo proprio sul bordo della rottura della valanga, quindi un piccolo numero di fotoni che colpiscono il rivelatore rilascerà abbastanza elettroni per innescare la rottura. Il flusso di corrente durante la ripartizione delle valanghe è molto rumoroso. In effetti, è così rumoroso che i diodi a valanga vengono utilizzati come sorgenti di rumore RF per testare vari componenti RF.

Anche il crosstalk, l'interferenza e l'intermodulazione sono fonti di segnali indesiderati, ma tecnicamente non sono rumori. Il crosstalk e l'interferenza sono segnali indesiderati provenienti da fonti esterne. L'intermodulazione proviene da non linearità e fa sovrapporre i canali adiacenti nello stesso mezzo uno sopra l'altro. Questo è un grosso problema quando si tenta di trasmettere un gran numero di canali in parallelo mentre si mescolano tra loro. Generalmente si tratta di 2 Fa - Fb. Ad esempio, se trasmetto due canali con una spaziatura di 1 kHz su 1 MHz, allora sto trasmettendo 1.000 MHz e 1.001 MHz. IMD significa che avrò un po 'di energia su 2 * 1.000 - 1.001 = 0.999 MHz e 2 * 1.001 - 1.000 = 1.002 MHz, che interferirebbero con i canali adiacenti sulla stessa spaziatura.