Уровень шумов резисторов что это
Шумы скольжения (вращения) переменных резисторов
Шумы скольжения переменных резисторов – шумы (напряжение помех), возникающие в динамическом режиме при движении (скольжении) подвижного контакта по резистивному элементу. Характер и степень шумов определяется динамическим взаимодействием двух контактирующих поверхностей – резистивного элемента и подвижного контакта, их состоянием и микроструктурой. Последние, в свою очередь, зависят от силы прижатия и твердости контактирующих поверхностей; скорости перемещения контакта относительно резистивного элемента; стабильности линии контактирования; степени износа подвижного контакта и загрязненности рабочей поверхности резистивного элемента.
Причинами шума проволочных резисторов могут быть также короткое замыкание соседних витков подвижным контактом при его перемещении, ступенчатый характер изменения сопротивления, нагрев подвижного контакта и проволоки обмотки и возникновение термоЭДС, разнородность металлов контактной пары и т.д. Рассмотрим подробнее основные виды шумов перемещения.
Шум короткого замыкания обусловлен тем, что подвижный контакт, имея определенную ширину, при движении замыкает либо один, либо два витка. Он пропорционален проходящему току через о6мотку и переходному сопротивлению.
Шум, определяемый ступенчатым характером изменения сопротивления, вызван скачками напряжения между отдельными нитками, когда подвижный контакт перескакивает c одного витка на другой. Помеха, создаваемая этим шумом, имеет вид пилообразного напряжения, наложенного на выходное напряжение. Его амплитуда прямо пропорциональна питающему напряжению и обратно пропорциональна числу витков обмотки. Частота основной гармоники шума пропорциональна скорости перемещения подвижного контакта и числу витков обмотки.
Контактный шум и шум переходного сопротивления возникает при прохождении тока через переходное сопротивление. Он проявляется как результат изменения действующей площади подвижного контакта и модуляции плотности тока, воспринимаемого в виде шума. Шумы, вызванные изменением переходного сопротивления, проявляются в виде хаотических пиков напряжения. Основные причины этого вида шума: неправильный подбор материалов и конструкции пары контакт – резистивный элемент, загрязнение на резистивном элементе, окисные пленки и продукты износа, создающие дополнительное сопротивление между скользящим контактом и резистивным элементом.
Активный (генераторный) шум обусловлен термоэлектрическим эффектом (эффект термопары), возникающим в точках соприкосновения разных металлов, трибоэлектрическим эффектом, возникающим при трении двух металлов, и гальваническим (химическим) процессом в местах контактных соединений. Этот шум представляет собой самогенерирующее напряжение при вращении вала резистора, тогда к нему не приложено электрическое напряжение.
Механический шум появляется в динамическом режиме от чрезмерно большого (от нескольких Ом до бесконечности) переходного сопротивления. Иногда этот шум называют вибрационным. Причинами его могут быть большие механические нагрузки и большая скорость вращения подвижной системы, приводящая к вибрационным изменениям состояния контактов. При превышении критической скорости скольжения подвижная система теряет контакт с резистивным элементом, при этом может возникнуть скачок напряжения, достигающий напряжения, подаваемого на резистор.
Шумы перемещения переменных проволочных резисторов принято выражать через эквивалентное шумовое сопротивление и измерять в омах, а уровень шумов перемещения непроволочных резисторов – через напряжение шумов и измерять в милливольтах. Уровень шумов перемещения значительно превышает уровень тепловых и токовых шумов. Даже для сравнительно хороших непроволочных резисторов напряжение шумов вращения может достигать десятков милливольт (15-50 мВ), а эквивалентное шумовое сопротивление проволочных резисторов 50-5000 Ом.
Методы измерения шумов вращения и рекомендуемые принципы построения измерительной аппаратуры нормированы ГОСТ 21342.6-75. Стандарт устанавливает два метода измерения шумов вращения переменных непроволочных и проволочных резисторов.
Для измерения напряжения шумов вращения непроволочных резисторов используют аттестованные измерители шумов перемещений. Метод измерения заключается в усилении, выпрямлении и измерении переменной составляющей выходного напряжения резистора, подключенного к источнику питания по потенциометрической схеме. Допустимая погрешность метода измерения ±25% от измеряемого напряжения шумов.
Метод измерения эквивалентного сопротивления шумов вращения переменных проволочных резисторов основан на регистрации отдельных «скачков» сопротивления шумов при превышения ими определенного, заранее установленного уровня. Число таких нарушений подсчитывают и по этой информации судят о качестве резистора. Измерения производят специальными приборами, проградуированными в омах. Методическая погрешность измерений ±10%.
Для некоторых типов композиционных переменных резисторов введено требование по плавности изменения сопротивления, что означает способность резистора монотонно и без скачков изменить сопротивление при перемещении подвижной системы. При несоблюдении этого требования возникают флуктуации выходного напряжения, которые выявляются в динамическом режиме. По существу это те же шумы скольжения, только вызываются они в основном нестабильным градиентом сопротивления по длине резистивного элемента. Измерение плавности производят либо с помощью специально созданных для этой цели установок, либо с помощью омметров с большим входным сопротивлением.
Шум резисторов: обзор основных понятий
Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.
Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Общий уровень шума усилителя сильно зависит от шума Джонсона, сопротивления источника питания и резисторов обратной связи. Почти каждый знает, что резисторы имеют собственный шум, но некоторые детали этого явления могут быть не вполне ясными. Давайте рассмотрим эту тему в рамках подготовки к будущему обсуждению шумов в схемах усилителей.
Шумовая модель резистора (модель Тевенина) состоит из бесшумного резистора, включенного последовательно с источником шумового напряжения (рисунок 55).
Рис. 55. Шумовая модель резистора (модель Тевенина)
Величина шумового напряжения для заданного частотного диапазона оказывается пропорциональной корню из произведения ширины диапазона, сопротивления и температуры (по Кельвину). Компания TI часто указывает значение шума для полосы шириной 1 Гц как его спектральную плотность (Spectral density). Теоретически шум резистора – «белый», это означает, что он равномерно распределен по частоте, то есть имеет одинаковое шумовое напряжение в каждой точке спектра.
Значения шумов каждой полосы спектра шириной 1 Гц складываются как корень из суммы квадратов. При этом часто используется значение спектральной плотности в В/√Гц. Численное значение спектральной плотности такое же, как для шума полосы пропускания 1 Гц. Для расчета белого шума спектра произвольной ширины необходимо умножать квадратный корень из ширины спектра на значение шума. Для количественного определения полного шума требуется ограничить ширину спектра (рисунок 56). Без задания частоты среза вы не знаете, какой объем шума вы интегрируете.
Рис. 56. Суммирование шума отдельных полос спектра белого шума шириной 1 Гц
Можно представить себе спектральные графики с логарифмическим масштабом по частотной оси – диаграммы Боде. Обратите внимание, что правая часть диаграммы Боде охватывает меньший диапазон частот, чем левая. Если принять в расчет полный шум, правая сторона при таком масштабе может быть гораздо важнее левой.
Шум резистора соответствует распределению Гаусса для амплитуд или вероятности распределения плотности. Это гауссовский шум, так как он образован суммированием огромного количества мелких и случайных значений. Центральная предельная теорема объясняет, как этот шум становится гауссовским. Среднеквадратичное (RMS) напряжение переменного шума (AC) равно ±1 σ распределения амплитуды (рисунок 57). Для среднеквадратичного шума 1 В существует вероятность 68% (±1-σ), что мгновенное напряжение будет находиться в диапазоне ±1 В. Распространенное заблуждение состоит в постановке знака равенства между белым и гауссовским шумом. На самом деле это разные понятия. Например, отфильтрованный шум резистора не белый, но остается гауссовским. Двоичный шум определенно не гауссовский, но он может быть белым. Шум резистора одновременно и белый, и гауссовский.
Рис. 57. При распределении Гаусса всплески за пределами диапазона из ±3-кратного значения RMS встречаются редко
Пуристы любят говорить, что гауссовский шум не имеет определенного значения от пика до пика. Они говорят, что он бесконечен. Действительно, хвосты гауссовского распределения стремятся к бесконечности, поэтому теоретически возможно появление любого напряжения. На практике вероятность возникновения шумовых пиков за пределами диапазона из ±3-кратного значения очень мала. Многие используют приближение в шесть значений RMS для значения от пика до пика. Для еще большей уверенности вы можете использовать восемь значений RMS.
Интересная информация для размышлений: шумы двух резисторов, включенных последовательно, суммируются случайным образом, но в результате получается такой же шум, как и у суммарного сопротивления. Аналогично, шум резисторов, включенных параллельно, равен шуму параллельного сопротивления. Если бы это было не так, то у нас были бы проблемы: нам бы пришлось делить резистор на бесконечно малые сопротивления и каким-то образом учитывать влияние каждой отдельной составляющей. Но, к счастью, все работает так, как описано выше.
Высокоомный резистор, лежащий на вашем столе, не будет искриться от неограниченного самогенерируемого шума, так как паразитная параллельная емкость ограничивает полосу пропускания и общее напряжение. Аналогично этому, шум, который вы можете себе представить на изоляторах, шунтируется параллельной емкостью и сопротивлением проводников вокруг них.
Вопрос на сообразительность: каким будет общий шум на выводах резистора с малой параллельной емкостью 0,5 пФ?
Список ранее опубликованных глав
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
ГОСТ 21342.19-78 Резисторы. Методы измерения уровня шумов
Текст ГОСТ 21342.19-78 Резисторы. Методы измерения уровня шумов
пЛлАшо \fo oJ.Ol.93 / IW W, Mwj.
’ *УДК 621.316.8 : 621.391.822.08 : 006.354 ‘ Группа Э29
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР
Методы измерения уровня шумов
Methods of measuring noise level
ГОСТ 3223—67 и ГОСТ 11199—65 в части метода проверки ЭДС
Постановлением Государственного комитета стандартов от 21 февраля 1978 г. № 508 срок введения установлен
Совета Министров СССР
Постановлением Госстандарта от 09.02.84 № 450 срок действия продлен
Несоблюдение стандарта преследуется по закону
Настоящий стандарт распространяется на непроволочные резисторы и устанавливает следующие методы измерения уровня шумов резистора:
Общие условия при измерении уровня шумов резистора и технике безопасности — по ГОСТ 21342.0—75.
Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 2749—80 и Публикации МЭК 195.
(Измененная редакция, Изм. № 1).
1. МЕТОД КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ
1.1. Принцип измерения уровня шумов заключается в предварительном измерении напряжения шумов на испытываемом резисторе с последующим вычислением суммарной э.д.с. тепловых и токовых шумов резистора (далее — э.д.с. шумов) и уровня шумов.
1.2.1. Структурная схема установки для косвенного измерения уровня шумов приведена на черт. 1.
Неравномерность частотной характеристики не должна превышать ±2 дБ в полосе частот 60—6000 Гц при ослаблении не ме-н(ее:
Издание официальное Перепечатка воспрещена
* Переиздание (ноябрь 1984 г) с Изменением № 1,
^ утвержденным в марте 1982 г. (МУС 6—821 8