電阻雜訊的基礎知識和乙個有趣的小測試

2021-07-05 01:45:09 字數 1211 閱讀 3269

翻譯: ti訊號鏈工程師 tom wang (王中南)

放大電路的雜訊效能受到輸入電阻和反饋電阻johnson雜訊(熱雜訊)的影響。大多數人似乎都知道電阻會帶來雜訊,但對於電阻產生雜訊的細節卻是一頭霧水。在討論運放的雜訊前,我們先做個小小的複習:

電阻的戴維寧雜訊模型由雜訊電壓源和純電阻構成,如圖1所示。

雜訊電壓大小與電阻阻值,頻寬和溫度(開爾文)的平方根成比例關係。我們通常會量化其每1hz頻寬內的雜訊,也就是其頻譜密度。電阻雜訊在理論上是一種「白雜訊」,即雜訊大小在頻寬內是均等的,在每個相同頻寬內的雜訊都是相同的。

總雜訊等於每個雜訊的平方和再開平方。我們常常提到的頻譜密度的單位是 v/ 。對於1hz頻寬,這個數值就等於雜訊大小。對於白雜訊,頻譜密度與頻寬開方後的數值相乘,可以計算出頻寬內總白雜訊的大小。為了測量和量化總雜訊,需要限制頻寬。如果不知道截止頻率,就不知道應該積分到多寬的頻帶。

我們都知道頻譜圖是以頻率的對數為x軸的伯德圖。在伯德圖上,同樣寬度右側的頻寬比左側要大得多。從總雜訊來看,伯德圖的右側或許比左側更重要。

電阻雜訊服從高斯分布,高斯分布是描述振幅分布的概率密度函式。服從高斯分布是因為電阻雜訊是由大量的小的隨機事件產生的。**極限定理解釋了它是如何形成高斯分布的。交流雜訊的均方根電壓幅值等於高斯分布在±1σ範圍內分布的振幅。對於均方根電壓為1v的雜訊,瞬時電壓在±1v範圍內的概率為68% (±1σ) 。人們常常認為白雜訊和高斯分布之間有某種關聯,事實上它們沒有關聯。比如,濾波電阻的雜訊,不是白雜訊但仍然服從高斯分布。二進位制雜訊不服從高斯分布,但卻是白雜訊。電阻雜訊既是白雜訊也同時服從高斯分布。

純理論研究者會認為高斯雜訊並沒有定義峰峰值,而它是無窮的。這是對的,高斯分布曲線兩側是無限伸展的,因此任何電壓峰值都是有可能的。實際中,很少有電壓尖峰超過±3倍的均方根電壓值。許多人用6倍的均方根電壓值來近似峰峰值的大小。為了留有足夠的裕度,甚至可以用8倍的均方根電壓值來近似峰峰值的大小。

乙個有趣的問題是,兩個電阻串聯的雜訊之和等於這兩個電阻和的雜訊。相似的,兩個電阻併聯的雜訊之和等於這兩個電阻併聯後電阻的雜訊。如果不是這樣,那麼在串聯或者併聯電阻時就會出問題。還好它確實是這樣的。

乙個高阻值電阻不會因為自身雜訊電壓而產生電弧和火花。電阻的寄生電容併聯在電阻兩端,將限制其頻寬和端電壓。相似的,你可以想象絕緣體上產生的高雜訊電壓也會被其寄生電容和周圍的導體分流。

乙個有趣的測驗:對於乙個開路電阻,併聯乙個0.5pf電容,它的總雜訊是多少?如果有人給出正確的答案,我將公布解答過程。

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