KOHINA H. Honkanen N = Noise ( Kohina ) LÄMÖKOHINA Johtimessa tai vastuksessa olevien vapaiden elektronien määrä ei ole vakio, vaan se vaihtelee satunnaisesti. Nämä vaihtelut aikaansaavat jännitteen johtimeen tai vastukseen ( ähköteknisesti sama asia, koskapa johtimessakin on aina resistanssia ) Vapaita elektroneja muodostuu aina, kun ollaan absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Täten lämpökohinaa esiintyy aina, kun lämpötila on absoluuttisen nollapisteen yläpuolella ja mukana on resistiivinen komponentti. uprajohteessa ja puhtaasti reaktiivisessa komponentissa lämpökohinaa ei esiinny ( koska R = 0Ω ). Käytännön keloissa ja kondensaattoreissa lämpökohinaa esiintyy impedanssin reaaliosassa, eli häviöiden osuudessa. U N 4kTRB Lämpökohina, UN: ( Tehollisarvo ), jossa: 23 K = Boltzmannin vakio = 1.381*10 T = Lämpötila ( K ) ( Kelvineinä ) R = Johtimen tai vastuksen resistanssi ( ) B = Mittauskaistan leveys ( Hz ) J / K VIRTAKOHINA Virtakohina johtuu elektronien kappaleluonteesta. 1.602*10 19 C Yhden elektronin varaus on: ( C = As ) 18 Kun johtimessa kulkee 1A suuruinen virta, menee siinä 6.24*10 elektronia sekunnissa!! Nopeasti ajatellen tuntuisi, ettei tästä kappaleluonteesta ole haittaa, mutta kun oletetaan virraksi vaikkapa 1 pa ja tarkasteluajaksi 1,saammekin tarkasteluajankohtana määräksi 6,24 kappaletta! Johtimessa ei voi kulkea elektronin osia, joten siinä täytyy kulkea tarkasteluaikana ( 1 ) yleensä 6, joskus 7 elektronia sekunnissa( jopa 5 tai 8 ajoittain ). 1 :han vastaa vain 1 MHz:n jaksonaikaa. I N 2eIB Virtakohina, IN : ( Tehollisarvo ),jossa: I = Virta ( A ) B = Mittauskaistan leveys ( Hz ) e = Elektronin varaus, 1.602*10 19 C ( C = As )
/ N uhde, / N Ratio, ignaali-kohinasuhde, ignal to noise ratio ignaali-kohinasuhde ilmaisee hyötysignaalin suhteen kohinaan /N-suhde ilmoitetaan pääsääntöisesti desibeleinä / N( db) 10log, jossa: s = Hyötysignaalin teho U N N N = Kohinan teho / N( db) 20log, jossa: Us = Hyötysignaalin jännite U UN = Kohinajännite KOHINALUKU Vahvistimen kohinaominaisuuksia kuvaa kohinaluku, Noise Figure, NF. Kohinaluku kertoo, paljonko vahvistin lisää vahvistettavaan signaaliin omaa kohinaansa. Vahvistinhan vahvistaa hyötysignaalin lisäksi luonnollisesti myös kohinan. Lisäksi vahvistin lisää aina signaaliin kohinaa. si so Ni No ( / N) i 10log si Ni ( / N) o 10log so NO, jossa: si = Hyötysignaalin tuloteho ni = Kohinan tuloteho so = Hyötysignaalin lähtöteho no = Kohinan lähtöteho ignaali-kohinasuhde heikkenee aina vahvistimessa. Vahvistimen kohinaluku saadaan lähdön- ja oton signaali-kohinasuhteen erotuksesta. Kohinaluku, NF : NF ( / N) ( / N) i o Kohinaluku kertoo, paljonko vahvistin lisää signaaliin kohinaa
TRANITORIN KOHINA Transistorin kohinaominaisuudet riippuvat voimakkaasti taajuudesta. Lisäksi kollektorivirran suuruudella on merkittävä vaikutus kohinaominaisuuksiin. Kohinan käyrästä voidaan osoittaa kolme osaa: 1. ienillä taajuuksilla kohina on suuri. Kyseessä on taajuusalueen alapäässä esiintyvä ns. 1/f kohina 2. Keskitaajuuksilla kohina on pientä, ja lähes riippumaton taajuudesta. Kohina on ns. valkoista kohinaa ( White Noise ) 3. uurilla taajuuksilla kohina alkaa kasvaa. Transistorin BFY76 kohinaluku: Käyrästöstä on havaittavissa selkeästi käyrän eri osat ( 1-3 ) Optimi kollektorivirta määräytyy vahvistettavan taajuuskaistan perusteella 1 / f KOHINA 1 / f kohina muodostuu useammasta tekijästä, joita kaikkia ei ole vielä selvitetty. yntymekanismeina mm. virrankulku puolijohderajapinnan yli ja virrankulku epätasaisissa johteissa. ( mm. hiilimassavastukset ) 1 / f kohinalle on ominaista sen tehospektri, joka ei ole tasainen, vaan kohinan taso laskee taajuuden kasvaessa KOHINA IENITAAJUITA
1 / f kohinalle ei ole laskukaavoja ( koska sen syntymekanismikin on ainakin osittain hakusessa ), niinpä sille annetaankin vain kulmakerroin, ( alfa ). VALKOINEN ja VAALEANUNAINEN KOHINA Valkoinen kohina sisältää yhtäpaljon kaikkia taajuuskomponentteja o Lämpö- ja virtakohina ovat valkoista kohinaa. ( tosin aivan äärettömyyksiin ei kohista,fysikaaliset rajoitukset tulevat vastaan ) Vaaleanpunainen kohina on yhtäsuuri jokaista taajuusdekadia kohden o 1 / f kohina on vaaleanpunaista kohinaa. DIAGRAMMIT
DIGITAALIEN IGNAALIN KOHINA Digitaaliseen signaaliin syntyy kohinantyyppistä häiriötä johtuen signaalin rajallisesta tilojen määrästä. Kvantisointivirhe Kvantisointivirheellä tarkoitetaan muuntimen binaarikoodin antaman jännitetason ja todellisen jännitetason mahdollista eroa. Tämähän johtuu siitä, että muuntimella ( ja yleensäkin numeerisella koodilla ) on rajallinen määrä tiloja, joihin se voi asettua. Täten ideaalisellakin muuntimella muunnettaessa todellinen arvo on aina jossakin muuntimen askelten välissä. Kvantisointikohinasuhde määritellään kuten signaali/kohinasuhde yleensäkin, eli: k q Kvantisoint ivääristymänteho keskimääräinensignaalin teho Binaarijärjestelmän kq: Jos ja kun ( binaarijärjestelmässä ): k q db N 2 n, niin : 10*logk q 10*logN 2 20*log2 n n *20*log2 n *6,02dB yhtälössä n = bittien määrä