我的电子元件的热噪声带宽是多少?

2019年11月12日

由于热噪声带宽引起的噪声故障

电路中的噪声是不可避免的

噪音在任何电子系统中都不可避免地存在。尽管我们很想降低每个系统的噪音水平，但这是不切实际的努力。你不能对系统中的每个组件都使用Peltier冷却或液氮。然而，了解热噪声带宽以及热噪声如何与不同组件相互作用可以提供一些重要的设计选择，确保信号在通过电路板时保持干净。

在不深入了解统计力学的情况下，需要注意的是，每个具有一定温度的组件都会显示附加在输出电压/电流上的噪声，称为热噪声或约翰逊噪声。还有其他噪声源可以与热噪声区分开来，如射击噪声、1/f噪声(又称粉色或闪烁噪声)、高斯噪声和白噪声。将这些与热噪声带宽一起考虑，决定了噪声如何叠加在PCB中的信号上。

视噪声为信号完整性问题

热噪声一直存在于电子电路中，是噪声的主要来源之一。在低信噪比(SNR)的低电平数字信号中，噪声成为信号完整性的问题。高噪声地板)．热噪声强度和热噪声带宽也非常重要射频电路特别是在前端接收电路中。

热噪声带宽与其他噪声源一起构成了系统中的噪声下限，并决定了系统中的噪声功率谱密度。通常，在你的电路中容纳噪声的不优雅的解决方案是只运行在更高的电平的电路，即，信噪比更大。对于使用二进制信号并具有适当噪声裕度的数字系统，这是很好的。在多级信令系统(例如，带有PAM的数字信令)和无线系统中出现了一组特殊的问题。

在使用多级信号的数字系统中，您通常要处理极薄的噪声裕度，并且热噪声已经增加了每个符号的BER值。加上符号间的干扰，不同的符号就变得难以区分。这就是为什么均衡方案通常用于从存在噪声、失真和/或干扰的多级数字信号中提取数据。

在无线系统中，由于信号链运行在足够高的功率下，即信噪比值非常大，噪声放大不会显著影响传输信号的质量，所以通常在发射端忽略热噪声。在接收端，低电平模拟信号的信噪比值一般较低，而信号必须被放大之前解调．不幸的是，位于感兴趣频带的噪声也会被放大，在解调和数字转换中可能成为问题。

在这些系统中，确定各种噪声源的带宽是很重要的，这样你就可以预测噪声如何影响不同组件产生和接收的信号。注意，除了热噪声之外，还有很多噪声源;1/f噪声和抛丸噪声在不同的部件中在不同的频率突出，这些噪声结合在一起构成了系统的整体噪声。考虑到这一点，问题出现了:热噪声何时变得突出，以及热噪声带宽如何影响不同的组件。

信号质量与热噪声带宽

由于系统中固有的直流电阻，任何部件都会产生热噪声。一般来说，冷却系统或使用寄生电阻较低的组件将降低热噪声强度。热噪声具有以下特点:

不相关的(例如,白色):热噪声有一个自相关函数，即δ函数。这意味着热噪声随时间的推移是不相关的;你测量的热噪声不依赖于以前所有时间测量的热噪声。注意，这也适用于有反馈的电路(如放大器)。
功率谱密度:由于热噪声的不相关特性，功率在低于某个极限的所有频率上均匀分布，即在足够低的频率和足够高的温度下，功率谱密度函数是平坦的。
高斯分布:热噪声振幅随时间的变化遵循零漂移(即均值为零)的高斯随机过程。标准差取决于温度和频率，如下图所示。

让我们看看热噪声的一些统计量: