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电阻的热噪声计算方法

CHANBAEK 来源:硬件工程师威廉希尔官方网站 干货 作者:硬件工程师威廉希尔官方网站 干 2023-10-23 16:47 次阅读

我们所说的电阻噪声通常指的电阻的热噪声,就算这个电阻两端没有连接到电路中,没有电流流过电阻,电阻两端也会有电压变化,虽然这个电压变化非常小,但是确实是真实存在的,这个电压波动就是电阻热噪声,在系统工作频率范围内,电阻的热噪声可以认为是白噪声。热噪声是由导体中电子的热震动引起的,它存在于所有电子器件和传输介质中,它是温度变化的结果,不受频率变化的影响。热噪声是不能够消除的。热噪声是由导体内电子密度的热波动引起的。奈奎斯特公式中给出了热噪声的计算方法,如下:

图片

R:电阻阻值

k:玻耳兹曼常数,k=1.380649×10−23 J/K(负23次方)

T:热力学温度,即,绝对温度,单位开尔文。

B:频率带宽

计算举例

R = 20K

T = 293.15K=20 °C

B = 1000Hz

带以上公式可得V = 569×10−9V = 569nV,这个数值代表电阻总会有569纳伏的波动。我们都知道热力学温度和摄氏度的换算公式(T = 273.15 + t (℃)),温度变化不过是几十度,对奈奎斯特公式影响不大,在其它参数不变的情况下,温度升高至50摄氏度,计算电阻热噪声为V = 597.4nV,影响不大。但是电阻阻值的变化对噪声影响就很大了,同样其它参数不变,电阻更换为50K后,V = 899.7nV,噪声增大了很多。通常情况下,金属膜电阻产生较低的热噪声,炭膜电阻产生较高的热噪声。

一定要使用小电阻吗?

上面分析过了,相同条件下电阻越大,热噪声越大,我们在设计电路时一定要采用小电阻吗?答案是,不一定。要看什么应用场景。当我们在使用运放放大微弱信号时,由于信号比较微弱,必须采用比较大的放大倍数,甚至要多级放大,如果保持放大倍数不变,等比例缩小电阻,会有比较好的信噪比,这是因为避免了热噪声的放大。当然电阻不是越小越好,太小了反而影响了运放工作,根据实际需要选择。

图片

当我们采用以下电路采集电路电流的时候,适当的增大采样电阻,会显著提高电阻两端的电压,虽然电阻变大了,热噪声也随之变大了,但是由于电阻很小热噪声带来的影响也非常小,运放的输入电压比较大,运放的放大倍数也可以降低,放大倍数降低,也会减小对杂散噪声的放大。换句大白话就是,增大电阻使采样电压变大带来的好处,远远大于热噪声变大带来的坏处。适当地增大采样电阻,在一定程度上能够提高电路信噪比。当然过大的采样电阻,会对被采样电路有影响,采样电阻带来的电压损失越大,因此根据实际情况选择。

图片

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