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電阻的熱噪聲計算方法

CHANBAEK ? 來源:硬件工程師技術干貨 ? 作者:硬件工程師技術干 ? 2023-10-23 16:47 ? 次閱讀

我們所說的電阻噪聲通常指的電阻的熱噪聲,就算這個電阻兩端沒有連接到電路中,沒有電流流過電阻,電阻兩端也會有電壓變化,雖然這個電壓變化非常小,但是確實是真實存在的,這個電壓波動就是電阻熱噪聲,在系統工作頻率范圍內,電阻的熱噪聲可以認為是白噪聲。熱噪聲是由導體中電子的熱震動引起的,它存在于所有電子器件和傳輸介質中,它是溫度變化的結果,不受頻率變化的影響。熱噪聲是不能夠消除的。熱噪聲是由導體內電子密度的熱波動引起的。奈奎斯特公式中給出了熱噪聲的計算方法,如下:

圖片

R:電阻阻值

k:玻耳茲曼常數,k=1.380649×10?23 J/K(負23次方)

T:熱力學溫度,即,絕對溫度,單位開爾文。

B:頻率帶寬

計算舉例

R = 20K

T = 293.15K=20 °C

B = 1000Hz

帶以上公式可得V = 569×10?9V = 569nV,這個數值代表電阻總會有569納伏的波動。我們都知道熱力學溫度和攝氏度的換算公式(T = 273.15 + t (℃)),溫度變化不過是幾十度,對奈奎斯特公式影響不大,在其它參數不變的情況下,溫度升高至50攝氏度,計算電阻熱噪聲為V = 597.4nV,影響不大。但是電阻阻值的變化對噪聲影響就很大了,同樣其它參數不變,電阻更換為50K后,V = 899.7nV,噪聲增大了很多。通常情況下,金屬膜電阻產生較低的熱噪聲,炭膜電阻產生較高的熱噪聲。

一定要使用小電阻嗎?

上面分析過了,相同條件下電阻越大,熱噪聲越大,我們在設計電路時一定要采用小電阻嗎?答案是,不一定。要看什么應用場景。當我們在使用運放放大微弱信號時,由于信號比較微弱,必須采用比較大的放大倍數,甚至要多級放大,如果保持放大倍數不變,等比例縮小電阻,會有比較好的信噪比,這是因為避免了熱噪聲的放大。當然電阻不是越小越好,太小了反而影響了運放工作,根據實際需要選擇。

圖片

當我們采用以下電路采集電路電流的時候,適當的增大采樣電阻,會顯著提高電阻兩端的電壓,雖然電阻變大了,熱噪聲也隨之變大了,但是由于電阻很小熱噪聲帶來的影響也非常小,運放的輸入電壓比較大,運放的放大倍數也可以降低,放大倍數降低,也會減小對雜散噪聲的放大。換句大白話就是,增大電阻使采樣電壓變大帶來的好處,遠遠大于熱噪聲變大帶來的壞處。適當地增大采樣電阻,在一定程度上能夠提高電路信噪比。當然過大的采樣電阻,會對被采樣電路有影響,采樣電阻帶來的電壓損失越大,因此根據實際情況選擇。

圖片

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