Перейти к содержанию

Токовый шум резистора

Резистор шумит даже без тока — это тепловой шум. Но стоит пропустить через него постоянный ток, и у многих типов появляется второй, гораздо больший на низких частотах шум, зависящий от материала. Его называют токовым или избыточным, и именно он отличает «тихий» резистор от «шумного».

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Токовый шум резистора (current noise, excess noise — избыточный шум) — шум, который появляется, когда через резистор течёт постоянный ток, и добавляется к тепловому шуму. Vishay в руководстве по резисторам различает два вида шума: тепловой, не зависящий от материала и одинаковый в широкой полосе, и токовый, вызванный приложенным напряжением и спадающий с ростом частоты. TI в «Op Amps For Everyone» описывает то же явление как фликкер-шум, который в углеродных композиционных резисторах называют избыточным.

Свойства

  • Спектр 1/f. Спектральная плотность растёт к низким частотам; мощность шума одинакова в каждой декаде.
  • Пропорционален напряжению. По Vishay Foil Resistors, спектральная плотность мощности шумового напряжения S = C·U²/f (В²/Гц), где U — постоянное напряжение на резисторе, C — безразмерная постоянная материала и технологии. Значит, среднеквадратичное шумовое напряжение пропорционально U.
  • Зависит от материала. Больше всего шумят элементы из проводящих частиц в изолирующей матрице — углеродные композиционные и толстоплёночные: ток идёт через нестабильные контакты между частицами. Тонкоплёночные тише, меньше всего шумят фольговые и проволочные.

Индекс шума

Токовый шум нормируют в микровольтах на вольт или в децибелах — индексом шума NI. Методику измерения задаёт IEC 60195:

NI=20lg⁡u10−6⋅U дБ,NI = 20 \lg \frac{u}{10^{-6} \cdot U}\ \text{дБ},

где u — среднеквадратичное напряжение шума в полосе одной декады, U — постоянное напряжение на резисторе. 1 мкВ/В соответствует 0 дБ, 0,1 мкВ/В — −20 дБ.

Тип резистора (Vishay 28771)Токовый шум, мкВ/В
Углеродный плёночный< 1
Металлоплёночный< 0,1
Толстоплёночный< 10
Фольговый< 0,025
Углеродный композиционный2–6
Проволочный, Power Metal Stripпренебрежимо мал

Когда учитывать

Если на резисторе почти нет постоянного напряжения, токовый шум мал, и, как пишет TI, преобладает тепловой — тип резистора не важен. Он становится заметным в делителях смещения, цепях обратной связи и мостах с постоянным напряжением, особенно в звуковом и низкочастотном измерительном тракте. Тепловой и токовый шум резистора для заданного напряжения, полосы и индекса шума считает калькулятор шума резистора, а общая картина источников шума — на странице «Шумы».

Частые вопросы

Что значит индекс шума 0 дБ?

Что токовый шум равен 1 мкВ на каждый вольт постоянного напряжения на резисторе в полосе одной декады частот. Индекс шума NI = 20·lg(u / (10⁻⁶·U)), где u — среднеквадратичное напряжение шума в декаде, U — постоянное напряжение на резисторе. Резистор с 0,1 мкВ/В имеет NI = −20 дБ, с 10 мкВ/В — +20 дБ.

Почему токовый шум зависит от напряжения?

Потому что он возникает от тока через неоднородный материал. По Vishay, в композиционных и толстоплёночных элементах ток идёт через контакты между проводящими частицами в изолирующей матрице, и эти контакты нестабильны. Спектральная плотность такого шума пропорциональна квадрату напряжения на резисторе: удвоишь напряжение — шумовое напряжение вырастет вдвое. Без тока токового шума нет.

Где токовый шум действительно важен?

Там, где на резисторе есть постоянное напряжение и тракт работает на низких частотах: делители смещения и обратной связи в звуковых предусилителях, мостовые датчики, прецизионные источники опорного напряжения. Если напряжение на резисторе мало, как пишет TI, преобладает тепловой шум, и тип резистора на шум цепи почти не влияет.

Источники

  1. Vishay Beyschlag. Basics of Linear Fixed Resistors, application note (Document Number 28771, revision 11-Nov-08) — два вида шума — тепловой и токовый от приложенного напряжения; тепловой постоянен в широкой полосе, токовый падает с ростом частоты; методика и индекс токового шума — IEC 60195; таблица типовых значений токового шума: углеродные плёночные < 1 мкВ/В, металлоплёночные < 0,1, толстоплёночные < 10, фольговые < 0,025, углеродные композиционные 2–6 мкВ/В, проволочные и Power Metal Strip — пренебрежимо мал
  2. Vishay Foil Resistors. Facts at a Glance #106: Selecting Resistors for Pre-Amp, Amplifier, and Other High-End Audio Applications (Y. Hernik, 2010, ред. 1 января 2011) — неофициальная копия на сайте xdevs.com; тепловой шум не зависит от материала; спектральная плотность токового шума SE = C·U²/f, C — постоянная материала и технологии; NI = 20·lg(u / (10⁻⁶·U)) дБ, u — СКЗ шума в полосе одной декады, U — постоянное напряжение на резисторе; больше всего шумят композиционные и толстоплёночные — неустойчивые контакты между проводящими частицами, тонкоплёночные тише и тем тише, чем толще плёнка, меньше всего — фольговые и проволочные
  3. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference (SLOD006B), разд. 10.3.3 «Flicker Noise» — фликкер-шум растёт с уменьшением частоты, связан с постоянным током, одинаковая мощность в каждой декаде; в углеродных композиционных резисторах его называют избыточным шумом (excess noise), он добавляется к тепловому; у проволочных меньше всего; при малом токе преобладает тепловой шум, и тип резистора не важен

Нашли ошибку?

Смотрите также