用整个信号链的方式看噪信比 SNR 噪声

flyingf

音响追求高动态，代表所有音乐的小信号不会被背景噪声给盖过，
噪信比只是一个评估系统的快速方式，但要怎么用系统的方式提高这个数值？
我这边会提到的噪声是白噪声，这种噪声的特徵是斯斯声，任何频率上强度一样，
是由电阻热噪声跟电流噪声组成。

噪信比的计算方式我习惯用信号跟噪声电压去计算
SNR = 20log(信号/噪声) 这个数值代表的是系统维持信号纯净度的能力
比方一个前级输出噪声 30uV, 输出信号 6Vrms 套入公式
SNR = 20 log(6/30uV) = 106dB
从公式上面来看提升噪信比很间单，让信号增加的的比例高于噪声的比例即可，
当一个系统用小音量聆听的时候对于噪信比的要求又更加严苛，
比方用 1Vrms 聆听，噪声如果不能衰减超过 6倍，则噪信比是恶化的。

不要把这个数值跟动态混淆，直接把 106dB 扣掉 环境噪声30dB, 然后宣称喇叭重制的动态有 76dB. 动态的计算比较困难，但实际上比噪信比宽容许多, 简单讲动态的计算应该是放大器信号所产生的声压/放大器杂讯所产生的声压，所以动态计算上的难度在于不同喇叭的灵敏度造成不同的动态，越灵敏的整体系统噪信比要更高，挑战最大的是高灵敏耳机。


Vn1 是前级输入总噪声(电压电流噪声)
Vn2 后级输入总噪声 (电压电流噪声)
G1   前级增益
G2   后级增益
VR   可变电阻，衰减作用
Vrn  可变电阻上的噪声
S 信号源信号，忘记画上去了

用示意的方式把整个系统的噪声放大倍数跟信号放大倍数公式写出来
整体输出噪声
(Vrn+Vn1) * G1 * G2 + Vn2 * G2
简化之后 G1 * G2 * (Vrn + Vn1 + Vn2/G1)

信号 S * VR(衰减量) * G1 * G2

这时候噪信比 SNR = 20log(信号 / 噪声 )

把 G1G2 消掉之后公式变成

SNR = 20log(S*VR / (Vrn+Vn1+Vn2/G1) )
增加噪信比就是让信号放大速度比噪声还大，从上述示意公式上我们看的到一些端倪，

1. 信号随著 VR 转动而递减,噪信比下降
2. 前后级噪声不随 VR 变动,  各级噪声重要性不是等比例的关系
    当中 Vn2被前级增益衰减了
3. 提升噪信比, 降低 Vrn + Vn1(前级噪声) 成效会比降低 Vn2 还高
    信号链越往前, 噪声占比越重要
4. 整体系统的放大倍数设定不合理时, VR 需要持续衰减, 噪信比等比例下降
5. 前后级放大倍数分配的重要性不一样，对噪信比来说,
    在同样总放大倍数下，提高前级放大倍数能增加噪信比

这种信号跟噪声的关系，常听到有人说，
前级没有噪声，后级没有噪声，
接在一起热噪声就变很大，实际上原理在这里.

这也就是为什么信号源电压越做越高，前级噪信比要求越来越高，
但是后级 90db, 80db 都还没关系的缘故,
不接前级也可以，但是等下我会提到有时候单增益前级也有好处。

这是我从信号链的观点来看噪信比，通常用以上几点分析之后，
不用做细节的噪声分析，都能让噪信比提高许多，条条道路通罗马，
看你走哪一条，上述公式还可以看出其他东西，
只是我还没想到，以上这是个人浅见，先这样了。

flyingf

先占个位置。

补充内容 (2017-8-7 18:38):
合理放大最重要。

什么是合理放大？

输出需要 28.28Vrms, 输入 2Vrms,

那你只需要 15倍放大.

new1510

理论要为实践服务，前排等看实践验证成果

凤仙

小小的提醒一下 随机噪声的加法不是直接相加的

无语密码

放音乐时，信噪比可大、可小，是动态的
即存在106dB，也存在46dB.

flyingf

凤仙 发表于 2017-8-5 19:30
小小的提醒一下 随机噪声的加法不是直接相加的

高手出来了，其实你比较有资格写这个，你说这个吗？
G2*sqrt( G1 sqrt(Vn1^2+ Vr^2)+Vn2^2)
这个很难简化，高手可以帮忙一下。

主要是我怕写太复杂，没人想去理解，就失去沟通的意义了。
最开始先让 VR 右半边有功能就好了。

flyingf

yeeypc 发表于 2017-8-5 19:48
模拟音频早就研究完了

上面是自己想到的，不是绝对正确而且简化过的，
看来您也略懂略懂，就靠您讲解这个，
G2*sqrt( G1 sqrt(Vn1^2+ Vr^2)+Vn2^2)
还有 VR 不同阻值跟架构造成的噪信比差异了。

flyingf

new1510 发表于 2017-8-5 17:49
理论要为实践服务，前排等看实践验证成果

理论是实践的先驱，版上制作帖已经够多了。
看要先瞄准在射击，还是先射击在瞄准，
这边都是先射，讲瞄准的人比较少。

要实践的话我之后会设计比较好的耳放、前级双栖，
电路图设计很久了，还没画板，
不过目前手边没有毫伏表，要测到放大后 4uV 以下有难度，
所以没啥动力。

凤仙

flyingf 发表于 2017-8-5 21:30
高手出来了，其实你比较有资格写这个，你说这个吗？
G2*sqrt( G1 sqrt(Vn1^2+ Vr^2)+Vn2^2)
这个很难 ...

首先根据 解码输出电平 前级放大电路增益 后级增益 音箱所需电平（调到自己喜欢的音量测量0dB文件）
计算出重要参数 前级音量控制衰减


然后三种方法

1 现实型 根据合理的听音环境信噪比来倒推计算

2 理想型 根据还原CD 16bit（96dB）信噪比来计算

3 极致型 根据还原解码器动态范围来计算


最后直接来结论吧

绝大多数情况下 解码器绝对不会成为噪声的主要来源 现在解码信噪比动辄是110dB+的

如果后级 不插输入 音箱就能听到底噪 那别玩了 换后级吧

前级是最难做的 现在解码输出电平 后级增益 音箱灵敏度都挺高了 前级需要工作在很大的衰减状态 影响实际输出信号的信噪比





补充 低灵敏度音箱 高阻低灵敏度耳机 对设备信噪比的包容性就比较好

flyingf

凤仙 发表于 2017-8-6 09:27
首先根据 解码输出电平 前级放大电路增益 后级增益 音箱所需电平（调到自己喜欢的音量测量0dB文件）
...

高手条理清晰，一针见血。
你讲这三条很实在，我之前摸索很久才摸索到这三条的，早点听你讲究好了。
第一、二种宽容性都是很大的，尤其低灵敏度喇叭来讲，

我选择自己的作法，是三种作法，2Vrms/1.5uV 作为底噪基准往下推.
一般传统前后级的概念要达成难度比较高，主要就是那棵电位器。

最后我的设计上构想是用前级、耳阔 + 小后级 ，
先放大后衰减 + 小后级, 让前级放大倍数大, 可变电阻转半时的噪声，
几乎可以被忽略的程度，这样的架构是最能达成第三条的方式，
因为放大倍数大的前级做到 120 db 还是比较简单的。

上面我有提到单增益前级，主要是有些人因为前级加上去有噪声之后，乾脆把前级拆掉，加上 50KVR，对电流噪声大的后级不是好是。衰减式前级我等一下去研究一下，之前有考虑过，但是没有仔细算，还是你有什么构想？还有我很好奇你的架构。

凤仙

flyingf 发表于 2017-8-6 10:38
高手条理清晰，一针见血。
你讲这三条很实在，我之前摸索很久才摸索到这三条的，早点听你讲究好了。
...

低增益的后级是简单的行之有效的方法  （当然咯 增益低了以后 驱动力上需要下点功夫 反馈稳定性上也要下功夫）

同时 前级的输出电平需要相应地增加



我们现在音频的体系还是唱片/磁带时代传承下来的

那个时候的核心就是增益增益增益

现在已经不需要这么多增益了（推个高敏耳塞有时候甚至需要 -70dB的衰减 一个信噪比120dB的“高级”耳放能给硬生生的削成实际只有50dB）

flyingf

flyingf 发表于 2017-8-5 17:44
先占个位置。

用运放来看，热噪声形成有几个地方，

运放电压噪声、运放电流噪声、电阻热噪声，

当中电流噪声会流过电阻变成电压噪声。


而 Rs 也就是 VR 并连等效电阻对噪声贡献很大，

一般放大电路大家认为音量最大的时候噪声是最高的，

这时实际上 Rs 热噪声 = 0.


当 50kVR 切到一半的时候，Rs = 12500,

热噪声 15nV/hz, 还要计算电流噪声*12.5k的噪声进去.




噪声的计算是用均方根计算，要找到主要噪声，

当其中一个噪声大于其他噪声三倍以上，其他噪声贡献值大概 10%,

所以当 VR 切半，等于信号/2, 噪声 up up,

这时候实质上是在放大噪声，噪信比下降。

好好看一下，以下忽略 rg//rf


影响最大的是低电压噪声、高电流噪声类别的 op,

因为运放本身的低噪声被盖过忽略了，

当中只有 TL072 不受影响，因为本身噪声就很高，

所以 SNR 下降大概 26dB 到 10dB 都有。


单纯把 VR 改成 10k ，噪信比提升就不少了。


所以要把噪声压低，选用低噪声元件，

阻值选取确保电流噪声低于电压噪声，

电阻本身的热噪声最好是运放的 1/3，

这样影响是最低的。


多级计算也是一样的原理，利用这种物理特性，

我们可以先用低噪声运放把信号跟低噪声同时放大，

当前面噪声大于后面 3倍时，后面噪声可以忽略 (10%)贡献。

另外要小心噪声要用正向放大倍数去计算。


分立件噪声也是类似的原理，我只知道大概，

噪声也是由电压跟电流组成，如果分立电流噪声大，

不要直接接上 VR, 把 VR 接在缓冲之前，

这样电流噪声就不会转化为电压噪声了。

凤仙

flyingf 发表于 2017-8-7 18:34
用运放来看，热噪声形成有几个地方，

运放电压噪声、运放电流噪声、电阻热噪声，

简单一句总结 仅出于信噪比考虑 高源阻的位置适合用JFET运放 低源阻位置适合用BJT运放


PS 你的计算结果是直接用datasheet给的Vn参数算的 然而对于音频 这个参数实际有问题（无视5532那边有个数据算错）

运放在低频区有1/f噪声 比Vn值大的多 甚至有部分运放在kHz级别仍旧是1/f噪声占主要地位 最终实际20-20k音频区噪声与计算结果甚至会有数量级的出入

flyingf

当你懂了之后，以下的两个电路实质上是不同的。



当你试著降低电阻、降低噪声时，


除了我上面讲的条件之外，还要考虑到几点，

反馈路径也是负载，取值越小会越难设计

负载加重，失真增加，还要小心运放电流输出失真区

电流加重，电阻承受功率需要计算

运放温度要去计算，温度太高会导致运放性能下，
开环增益下降，甚至超过承受
真的不行改成金封运放或是单运放

供电电压，提高会导致温度上升

因为回路电流增加，更容易造成电磁耦合

所以需要做的是取得一个平衡点


大家都说 金封运放、单运放好听，高级低噪声运放好听，

这些运放如果应用在这种合理设计的电路上影响是最大的，

因为他的散热能力能让运放维持高性能，

东西不是贵的就好

越特化的零件 越需要特化的设计

flyingf

凤仙 发表于 2017-8-7 18:48
简单一句总结 仅出于信噪比考虑 高源阻的位置适合用JFET运放 低源阻位置适合用BJT运放

1/f 我没有全部考虑进去，一般转折在 100 hz 左右影响很小。
我没有实际去量化，在用 ln 去算会疯掉，
这个影响会有多少？
我实际计算频率是 100khz ，
20k以上听的到吗？没影响的话我等下改个表格。


NE5532 我看到了，眼睛真尖，谢谢,
整排都打错，真正算式在下面我藏起来了，
2.22E-05 这种东西不好看，见不得人。

高手你看哪里有不足的部份在补充一下。

凤仙

flyingf 发表于 2017-8-7 19:20
1/f 我没有全部考虑进去，一般转折在 100 hz 左右影响很小。
我没有实际去量化，在用 ln 去算会疯掉， ...

其实我没看清楚你的运放取了多少增益


按照标准缓冲电路来计算的话 音频区噪声（无计权）

是Vn*（√20000-√20）约等于137*Vn  算出来比你的结果会低很多




目前高低阻通吃的噪声指标最好的运放好像是ADA4627






运放噪声的精确计算可以参考这个 https://wenku.baidu.com/view/70ea043a31126edb6f1a10ef.html

里面是电阻热噪声 运放电流噪声 运放电压噪声 运放1/F噪声的综合计算（只差电阻的电流噪声了）

艺何

从实用层面上来说，你看高端CD播放器系统那么复杂，都可以给出100DB以上高信噪比，前级与后级电路架构相对简单的多，都是可以容易做到极高的信噪比，那为什么大家还说前级不好做呢，很简单，因为前级在中间起到承前启后的关键作用，仅仅给出几个性能指标并不能完全解决问题，不同的器材制作工艺，结构设计与材料运用以及信号阻抗匹配度等，简单连接在一起，这些都会影响整体播放系统的听感信噪比，除非是厂家直接给出完整的三件套设计，否则就存在一个最佳搭配的问题，对于高要求的发烧友，这无疑是一个令人头痛的问题，同时解决这个问题也是一种玩的乐趣。

ZMH8771140

好文章，楼主有很高的理论水平，难得一见。我也在研究功放系统的噪音，很赞同你的理论。我在实践中也证明是正确的。我的AK4495解码器电源电压9.3V，理论输出5V多；分立前级电源电压双48V，4倍放大理论输出20V；等响度音量控制；功放电源电压双58V，放大倍数7.8倍。效果蛮好。
   我看过一篇文章认为：动态范围的扩展，可以分为上动态和下动态。下动态扩展除了提高信噪比外，是不是还存在放大器的输入失调电压的问题？就是设计不好的放大器不能放大微弱的信号。不知您有没有研究过？

flyingf

艺何 发表于 2017-8-8 10:29
从实用层面上来说，你看高端CD播放器系统那么复杂，都可以给出100DB以上高信噪比，前级与后级电路架构相对 ...

如果不是 CD. 單就前級來講, 100 dB 算是比較低端的數值. 我應該可以無痛做到 110dB 左右. 輸入電平越小越好做，因為放大倍數可以更大，整个 SNR 劣化最避不开的元件是 VR.

要做到高噪信比有两种不同的困难点, 一种是因为负载加重, 会贴近到主动元件的某些极限值,这种可以做到 120dB, 但是会痛, 荷包痛或是头痛. 另一种是像楼上凤仙大师讲的，衰减式放大器, 这个难度比上述的还高.

噪声只是评估放大器能力的一种方式，我提供的方式可以不增加成本，不影响音质提升噪信比，因为这是先瞄准在射击。搭配问题要从整个信号鍊一体机的方式去思考，噪声上我懂一些。其他方面这边有更多人比我有资格发声。