热噪声底和提高信噪比

在某些系统中，低频噪声和热噪声会被显著放大

在电子系统中，噪音是无法避免的。明智的设计选择可以帮助您的系统相对地免受某些噪声源的影响，但有一种噪声源是您无法避免的:热噪声。在用于收集敏感测量数据的系统和其他通信系统中，热噪声下限设定了您希望达到的最低噪声水平。

电子元件中还有其他不可避免的固有噪声源，它们将与热噪声一起出现。这就产生了一个复杂的噪声环境，很难进行分析，特别是当电子系统中存在其他噪声源时。下面是热噪声底如何确定电子系统中希望看到的最低噪声水平，以及您可以期望在真正的PCB中测量到什么。

什么决定热噪声地板?

简单地说，系统的温度决定了热噪声底。系统温度越高，热噪声底限越高。当我们说噪声底时，我们指的是与一般噪音楼层．在没有任何宽带噪声源、1/f噪声或布朗噪声的情况下，您可以希望在电子系统中测量的最小噪声水平是热噪声底限。

分析噪声，一般来说，可能是困难的，因为有各种各样的固有噪声源，这些固有噪声源是独特的不同的系统。也许最重要的方面是描述低频下1/f噪声和布朗噪声的行为。近一个世纪以来，描述1/f噪声和布朗噪声一般统计性质的随机模型的发展一直是一个活跃的研究领域。这些模型已被用于描述电子、光学、金融、经济学、生物学和其他领域的噪声行为。

在电子系统中，当通过参考电阻测量电压时，热噪声底将以足够高的频率出现。在低频时，1/f噪声和布朗噪声将占主导地位，这些噪声源将是所研究的特定系统所独有的。在足够大的电流下以避免射击噪声，可以测量的3个主要本征噪声源是热噪声、1/f噪声和布朗噪声。时间波形和功率谱密度这些来源如下所示。

电子电路中的噪声类型及其功率谱密度

热噪声底何时占主导地位?

随着1/f噪声和布朗噪声随频率的增加而下降，最终噪声底将收敛到热噪声底。任何比热噪声底板更强的噪声源都位于热噪声底板之上，在频谱分析仪测量中可以很容易地看到。

如果你看这个公式热噪声带宽，你会发现热噪声波动与温度的平方根成正比。电压波动与所检测系统的Thevenin电阻成正比，但热噪声功率谱密度是一个与温度(开尔文)成正比的常数。换句话说，系统温度升高20%波动也会增加20%

如果你查看组件的数据表，热噪声值通常在nV/√Hz的数量级。测量的热噪声底将取决于仪器的带宽。热噪声底只在大于某些角频率的频率上占主导地位。这是1/f噪声近似等于热噪声底的频率。由于1/f噪声很大程度上取决于特定电子系统的结构，因此没有通用的、封闭形式的解来计算这个角频率。

简单的例子显示了从1/f噪声到热噪声(又称白噪声)的过渡。

你能降低地板的热噪声吗?

简单的答案是肯定的，但差距不大。在没有其他噪声源的情况下，最低的噪声底限将始终是热噪声底限，只有通过降低组件的温度才能降低热噪声底限。如果您查看组件数据表，您的系统中的噪声底限通常会在超出建议工作温度的广泛温度范围内指定。

热噪声底及其带宽在计算机中是极其重要的射频前端接收电路精密光学传感器，以及其他输出电压非常低(小于mV)的传感器。然而，在大多数运行在mV级别的系统中，您可能不会注意到热噪声。对于RMS热噪声为100 nV的1 mV信号，信噪比值将为40 dB，这对于许多应用来说已经足够了。

如果您想检查信号链中的放大和过滤级的影响，您需要使用一些基本的模拟工具。噪声将足够低，以至于任何分量都将在线性状态下工作，这使得模拟宽带噪声在穿过信号链时的行为非常容易。为了确定信号链中应使用的最大增益，在使用放大器的电子系统中应始终模拟噪声。

当需要模拟系统的热行为并检查热噪声地板如何影响PCB中的信号行为时，您需要使用正确的方法PCB设计和分析软件．设计工具Allegro PCB Designer从节奏集成全套分析工具，使您能够在单个平台上检查信号完整性并模拟热行为。这些工具非常适合设计和模拟电路板功能的各个方面。

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