نویز. در اصطلاح الکترونیکی، به طور کلی یک سیگنال الکتریکی ناخواسته خواهد بود؛ که ممکن است تصادفی یا سیستماتیک باشد. در این مقاله به توضیحات بیشتر در این مورد خواهیم پرداخت.
“نویز” برای افراد مختلف می‌تواند معانی مختلفی داشته باشد. به طور کلی با چیزی ناخواسته همراه است. این می‌تواند نویز آکوستیک باشد یا نویز پس زمینه. نویز در اصطلاح الکترونیکی، به طور کلی یک سیگنال الکتریکی ناخواسته خواهد بود؛ که ممکن است تصادفی یا سیستماتیک باشد. در هر صورت، اگر مقدار نویز به اندازه کافی بالا باشد که به اندازه کافی بر ویژگی‌ها یا اندازه گیری سیگنال تأثیر بگذارد، آزاردهنده خواهد بود. روش جلوگیری از آن بستگی به نوع نویز آن دارد.
نویز تابشی نویز‌هایی است که از جایی دیگر از طریق هوا (یا حتی در خلاء اگر محیط کار عادی شما باشد) به مدار شما می‌رسد. بیشتر احتمال دارد که “سیستماتیک” باشد تا تصادفی، مانند تداخل RF (فرکانس رادیویی) از فرستنده یا سایر مدار‌های الکترونیکی حاوی یک نوسانگر (که این روز‌ها تقریباً هر چیزی است). جلوگیری از تأثیر آن بر مدار شما می‌تواند با غربالگری باشد. استفاده از صفحات زمینی روی PCBها می‌تواند به کاهش حساسیت مدار‌ها به تداخل به روشی مشابه غربالگری کمک کند. حتی بدون محصور کردن یک برد مدار، یک صفحه زمین نزدیک به کاهش تداخل تابشی در بخش‌های حساس و امپدانس بالا یک مدار کمک می‌کند.
نویز هدایت شده می‌تواند شبیه نویز تشعشعی باشد، یعنی سیستماتیک، اما از مسیری متفاوت ی- سیم ها/اتصالات مدار شما – وارد مدار شما می‌شود. این می‌تواند در امتداد یک کابل برق، ولتاژ بالا یا پایین، AC یا DC باشد. این می‌تواند اتصال به دکمه ها، نمایشگر‌ها یا سایر قسمت‌های سیستم باشد که روی PCB نیستند. نویز هدایت شده می‌تواند به صورت نویز تابشی شروع شده باشد و سپس بر روی سیم‌های سیستم که به عنوان آنتن عمل می‌کند، گرفته می‌شود و سپس به نویز هدایت شده تبدیل می‌شود.
به حداقل رساندن اثر نویز هدایت شده با نویز تابشی متفاوت است. سر و صدای هدایت شده معمولاً با افزودن فیلتر به کابل‌هایی که نویز وارد سیستم می‌شود، کاهش می‌یابد. این می‌تواند با افزودن گیره‌های فریت برای افزایش القایی کابل – تکه‌های آشنا روی کابل‌های منبع تغذیه، کابل‌های USB و … فیلتر شود.
فیلتر باید نویز را کاهش دهد و در عین حال اثرات مضر روی سیگنال مورد نظر را به حداقل برساند. تکنیک‌هایی مانند جفت سیم پیچ خورده و سیگنال دهی دیفرانسیل (مانند LVDS) می‌توانند مدار را در برابر نویز هدایت شده تحمل کنند بدون اینکه در واقع نویز را کاهش دهند.
یک آنالایزر طیف یا اسیلوسکوپ با قابلیت تبدیل فوریه سریع (FFT) می‌تواند با کمک به نشان دادن ماهیت نویز و شناسایی فرکانس‌های خاصی که ممکن است در غیر این صورت واضح نباشد، در ردیابی محل سرچشمه نویز بسیار مفید باشد. سیگنال زیر را بگیرید:
در حالی که به نظر می‌رسد مانند نویز تصادفی است، و یک جزء تصادفی در آنجا وجود دارد، اگر با FFT نگاه کنید، این را می‌بینید:
سپس خواهید دید که فرکانس‌های بسیار خاصی در آنجا وجود دارد و در واقع آن‌ها در اکثریت “نویز” دیده شده در ردیابی اسیلوسکوپ نقش دارند. وقتی فرکانس‌های خاصی را می‌شناسید، سرنخ‌هایی از علت آن دارید. به عنوان مثال، اگر یک فرکانس ۲۵۰ کیلوهرتز است و شما یک تنظیم کننده سوئیچینگ روی PCB یا یک PCB متصل دارید که با آن فرکانس کار می‌کند، می‌تواند دلیل آن باشد. در حالی که این شبیه سازی‌ها ممکن است ساختگی به نظر برسند، اما در واقع نمایانگر موقعیت‌های واقعی هستند.
نویز تصادفی می‌تواند سفید، صورتی یا … باشد، علت اغلب می‌تواند خود مدار باشد. عبارات عجیب “سفید” و “صورتی” به طیف نویز اشاره دارد که با فرکانس به عنوان محور x در نظر گرفته شود و با نور مقایسه شود. نویز سفید دارای قدرت برابر در هرتز است، بنابراین مانند یک خط صاف و افقی یک تحلیلگر طیف به نظر می‌رسد. نور سفید نیز چگالی توان یکنواختی خواهد داشت. نویز صورتی به نویز اطلاق می‌شود که در آن چگالی توان نویز در هر هرتز با فرکانس نسبت معکوس دارد. بنابراین، نویز با فرکانس کمتر افزایش می‌یابد. منبع نوری که این کار را می‌کند، ظاهراً به جای سفید، صورتی به نظر می‌رسد، اگرچه من هرگز نوری با آن طیف ندیده‌ام که مطمئن باشم.
نویز سفید یک منبع رایج نویز الکترونیکی در مدار است و نویز جانسون یا نویز حرارتی نیز نامیده می‌شود. این ناشی از برخورد حامل‌های بار در مدار است، به عنوان مثال. الکترون‌ها، و قدرت نویز متناسب با دمای مطلق است – از این رو اصطلاح نویز حرارتی را می‌گویند. این وابستگی حرارتی همچنین دلیل سرد شدن مدار گاهی اوقات است – به عنوان مثال. در دوربین‌های نجومی قدرت نویز حرارتی نیز متناسب با مقاومت است، بنابراین مقاومت کم به کاهش نویز کمک می‌کند، اگرچه گاهی اوقات شما به مقاومت بالایی نیاز دارید تا همیشه عملی نباشد. هنگام تقویت سیگنال سطح پایین بهتر است تا حد امکان از مقاومت‌های کم ارزش استفاده کنید، زیرا کمتر به نویز کلی کمک می‌کنند. یک مثال خوب می‌تواند مقاومت‌های مورد استفاده در تقویت کننده‌های مبتنی بر opamp باشد. سه طیف زیر نویز یک opamp کامل را با بهره ۴۰ دسی بل با استفاده از مقاومت‌های بازخورد ۱۰۰k، ۱M و ۱۰M اهم نشان می‌دهد. در حالی که بهره در هر مورد یکسان است، نویز کاملاً متفاوت است، زیرا مقاومت‌ها تنها منبع نویز در این مثال هستند:
در یک opamp واقعی وضعیت با مقاومت‌های با ارزش بالا در واقع بدتر خواهد بود، زیرا نویز جریان opamp به نویز خروجی اضافه می‌کند و ولتاژ ناشی از نویز جریان با مقاومت بالاتر بیشتر می‌شود.
نویز صورتی اغلب با مقداری نویز سفید نیز دیده می‌شود – نه نویز صورتی خالص. بنابراین، به جای افزایش خطی با کاهش فرکانس، چیزی شبیه به این خواهید دید:
نویز با کاهش فرکانس از حدود ۲۰ هرتز افزایش می‌یابد. افت بالای ۲۰ کیلوهرتز به دلیل پهنای باند opamp است که این شبیه سازی‌ها از آن ناشی می‌شوند. توان نویز مجموع دو طیف نویز است که هر کدام می‌توانند دلایل متعددی داشته باشند، اما می‌توان آن‌ها را به نویز سفید و منابع نویز ۱/f گروه بندی کرد. ۲۰ هرتز نقطه‌ای است که در آن سهم برابری در کل قدرت نویز دارند. بالای ۲۰ هرتز نویز حرارتی منبع اصلی نویز و زیر ۲۰ هرتز نویز ۱/f است. نویز ۱/f (نویز صورتی یا نویز “سوسوزن”) در مکان‌های مختلف یافت می‌شود – مقاومت‌ها نیز مانند ماسفت‌ها آن را دارند. در ماسفت به ظرفیت گیت و مساحت گیت ترانزیستور بستگی دارد، بنابراین برای کاهش نویز ۱/f در طراحی IC CMOS، باید مساحت گیت ترانزیستور را افزایش دهید. این امر می‌تواند منجر به ایجاد برخی ترانزیستور‌های بزرگ در آی سی‌ها شود( نسبت به حداقل موجود در یک فرآیند خاص).
توجه داشته باشید که صحبت از قدرت نویز معمول است. اگر می‌خواهید به ولتاژ‌ها یا جریان‌ها نگاه کنید، باید به خاطر داشته باشید که توان متناسب با ولتاژ مجذور یک مقاومت است، بنابراین باید هنگام جمع کردن ولتاژ‌های نویز به جای توان‌های نویز مراقب باشید – باید از مجموع مربع‌ها برای جمع ولتاژ‌های نویز غیرهمبسته استفاده کنید.
منبع : برق نیوز