[其他] 聊聊噪声和干扰的那些事儿

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发表于 2018-12-21 18:08 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2018-12-26 12:22 编辑

        聊聊噪声和干扰的那些事儿

    本帖讨论电子应用技术里的噪声问题,主要是音频放大器里的噪声。老太太用大喇叭在公园唱歌制造的噪声不在此例。
    广义上,除信号之外不需要的输出都叫噪声,但是这样的表达在多数情况下对于准确的表达和解决问题很不利也显得不够专业,今天重点讲在本坛本版块应用范围内的内的噪声问题。
    狭义的噪声指有源和无源器件产生的噪声,音频放大器的噪声就是由这些原件产生的并最终在输出端表现噪声。电源的扰动,电路外界的影响(磁场、电场或电磁波)产生的额外输出应属于干扰,由于反馈或电路前后级的额外耦合产生的额外输出应属于自激或振铃现象。
    一般噪声具有连续频谱,没有明确的音调,变压器的漏磁,大电流导线或共地线造成的干扰,电源抑制比低造成的电源干扰都有明显的音调,在示波器、频谱仪或仔细听都可辨别是噪声还是干扰。噪声多半是原理图设计问题,干扰更多是PCB布局布线和机内布线的问题,两种问题的解决方法完全不同。50Hz基频的干扰,干扰源在整流前;100Hz基频的干扰,干扰源是整流后。干扰的治理方法有三种,可以降低干扰源的干扰强度,如适当的增加变压器的每伏匝数,可以减少漏磁;也可加强被干扰电路的抗干扰能力,比如采取屏蔽措施,也可加大干扰源与被干扰电路的间距。
       电阻的噪声
   电阻的噪声主要有两种:热噪声和过剩噪声。
    热噪声存在与大小具有良好的理论基础支持,不受材料、结构、工艺等等影响。
一只电阻的噪声等效计算模型.gif


    电阻的热噪声电压En=√(4kTRB)   -------公式1   ——这个公式虽然不是完整的理论公式,但是一般工程应用足够精确。
     k——波尔兹曼常数=1.38065605E-23J/K
     T——绝对温度 K
     R——电阻     Ω
     B——单宽     Hz
    在290K(17℃)下4kT=1.602E-20J
    在290K(17℃)下1kΩ电阻的热噪声电压是4nV/√Hz,这是每赫兹带宽内的噪声电压,通常称为“噪声电压密度”或“噪声电压频谱密度”。如果带宽是20Hz至20kHz,那么噪声电压就是565nV或0.565μV。温度从290K升高到390K,热噪声也只增加16%,热噪声对温度并不“敏感”,这个计算不包括电阻温度系数影响。热噪声是白噪声,每赫兹带宽内的噪声都是相等的。
    电阻的过剩噪声是指电阻加上直流电压后电阻产生的噪声,过剩噪声的大小与电阻的结构和工艺有关,通常阻值大的过剩噪声也大,刻螺纹的比不刻螺纹的低;线绕电阻和箔电阻比膜电阻低。计量单位是每十倍频程μV/V,通常规格书多用db表示,称为噪声系数,定义为电阻上加上1V的直流电压后,每十倍频程带宽内的过剩噪声是1μV,为0db。例:如果一个100kΩ的金属膜电阻的过剩噪声系数是-20db,所加直流电压是10V,那么这时这个电阻在10倍频程带宽内的噪声电压是1μV,比如10Hz~100Hz是一个十倍频程,20Hz至20kHz是三个十倍频程,噪声就是1μV√3=1.732μV。过剩噪声大小与所加直流电压大小成正比,与带宽的平方根成正比。所谓低噪声电阻是过剩噪声低的电阻,如果没有直流压降就没有过剩噪声,也无必要使用低噪声电阻。过剩噪声是低频噪声,频率越低噪声越大。
    在数码时代,前级和功放的噪声不应是特别关注的问题,但是偶尔的噪声问题还是造成了困扰。

先歇会儿


补充: K是绝对温度的单位,-273.16℃=0K,     0℃=273.16K。

补充2:不限带宽,测量噪声,意义不大。

补充3:只有极少数的电阻提供过剩噪声数据。

补充4:多数情况下,过剩噪声小于热噪声,过剩噪声是低频噪声(1/f噪声),只有在低频段才成为问题。测量噪声如果加入A计权,低频噪声的影响会会大幅降低。

补充5:若干电阻的串联或并联后产生的热噪声,按串联或并联后的阻值计算。

补充6:噪声是基于器件更本质的东西,干扰更多的是器件之间的、电路的,可以理解为任何不需要的(额外的)耦合。

补充7:热噪声不是一个新能源,否则就没有世界能源问题。

补充8:噪声是随机的,瞬时值不可预测,否则噪声问题就不会存在。

补充9:只有实体电阻才产生热噪声。

补充10:过剩噪声与可靠性相关,在同类电阻中过剩噪声低的可靠性高。


















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 楼主| 发表于 2018-12-21 19:53 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2018-12-25 17:42 编辑

      
             电容的噪声
       电容一般不会产生噪声,电容器的介质会有漏电,它是实体电阻会产生热噪声,但是电容的容抗会旁路它。电解电容瞬时反偏后会在正偏时有短时的尖峰爆裂噪声,并逐渐减小,某些耦合用的电解电容,由于前后级电压建立时间的差异在上电瞬间会被反偏。仔细的安排各级电压建立的时间顺序可以避免这种情况,在耦合电解电容上反向并联一个二极管也可。



就噪声与干扰的话题后面有间断的更新。

补充内容 (2019-1-31 10:11):
      BJT的噪声在41#, 42#有flyinf兄的给力补充,J-FET的噪声在53#, 噪声的运算在54#。感谢关注!

补充内容 (2019-3-18 13:48):

117#有噪声系数的计算例题。

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发表于 2018-12-21 22:00 | 显示全部楼层
耦合电容也可以感应噪声

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 楼主| 发表于 2018-12-21 22:04 | 显示全部楼层
艺何 发表于 2018-12-21 22:00
耦合电容也可以感应噪声

这属于干扰,外包铜箔接地做屏蔽。

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发表于 2018-12-21 22:19 | 显示全部楼层
我用铜箔外包耦合电容接地做屏蔽,效果还可以,就是有点麻烦。

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 楼主| 发表于 2018-12-21 22:27 | 显示全部楼层
艺何 发表于 2018-12-21 22:19
我用铜箔外包耦合电容接地做屏蔽,效果还可以,就是有点麻烦。

享受折腾的过程

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发表于 2018-12-21 22:36 | 显示全部楼层
很好,说的非常专业。

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 楼主| 发表于 2018-12-21 23:50 | 显示全部楼层
scjayyldiy 发表于 2018-12-21 22:36
很好,说的非常专业。

scjayyldiy兄过奖了,只要能对一个童鞋有用就满足了

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发表于 2018-12-22 00:37 | 显示全部楼层
教科书级的讲解。

就是有点不好消化,容我思考一会~

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发表于 2018-12-22 00:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 jacksl528 于 2018-12-22 00:40 编辑

你提到电阻的热燥 关于这个问题,值得思考的是,你只提出了理想电阻的热燥,

而我们实际使用的电阻,存不存在因为工艺差异,品质差异,品牌, ,同阻值的电阻产生的热燥 是不同的。

点评

谢谢!我本想简略的把这些东西讲清楚,看来还要编辑补充一下!见红字。  发表于 2018-12-22 11:59

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发表于 2018-12-22 13:50 | 显示全部楼层
本帖最后由 flyingf 于 2018-12-22 13:55 编辑

寫的很好,熱噪聲一般我會考慮,過剩噪聲沒有思考過。
喔,你已經補充了。

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发表于 2018-12-22 14:11 | 显示全部楼层
这种 帖子就是值得深入探讨的,

很多人 只论电阻品牌 什么声音,殊不知 很多听感的变化 其实就是这些可以量化的数据带来的。

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 楼主| 发表于 2018-12-22 14:42 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2018-12-22 14:44 编辑
flyingf 发表于 2018-12-22 13:50
寫的很好,熱噪聲一般我會考慮,過剩噪聲沒有思考過。
喔,你已經補充了。

      热噪声是理论产物,容易计算。过剩噪声需要商家提供数据,还与所加直流电压有关,如果没有加直流电压,就没有过剩噪声。热噪声是白噪声,每赫兹电压相等,过剩噪声是1/f噪声,每十倍频程噪声电压相等,所以不同的频率范围数据不同,难以比较。       比如一个1k欧姆的电阻,假如过剩噪声系数是-40db,在电路中所加直流电压是1V,那么在十倍频程内的噪声电压就是0.01μV,在20Hz~200Hz范围内是0.01μV;在200Hz~2kHz范围内也是0.01μV,在2kHz~20kHz范围内还是0.01μV。在20Hz~200Hz范围内热噪声是0.054μV;在200Hz~2kHz范围内热噪声是0.17μV,在2kHz~20kHz范围内热噪声是0.537μV。不是特别弱的信号放大不必在意,在盒式磁带的年代,我为噪声问题费了不少心思,磁头灵敏度是200微伏。


补充内容 (2019-1-19 11:45):
如果电阻上没有直流压降,就没有必要选用低噪声电阻。所谓低噪声电阻是指过剩噪声低的电阻器。

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发表于 2018-12-22 15:00 | 显示全部楼层
patch 发表于 2018-12-22 14:42
热噪声是理论产物,容易计算。过剩噪声需要商家提供数据,还与所加直流电压有关,如果没有加直流电 ...

對,熱噪聲我寫成 excel 檔直接計算。
1/f 噪聲,在計算的時候我都刻意忽略,除非是 op 那種 1/f 到上千頻率。
玩磁帶的難怪基礎這麼扎實,每一份噪信比都要擠牙膏,你講的很好,
比例出來就知道哪個部分必須重視了。

我覺得噪聲要掌握的好,
要知道哪幾顆電阻是關鍵,
還有多級噪聲的計算方式。

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 楼主| 发表于 2018-12-22 17:11 | 显示全部楼层
flyingf 发表于 2018-12-22 15:00
對,熱噪聲我寫成 excel 檔直接計算。
1/f 噪聲,在計算的時候我都刻意忽略,除非是 op 那種 1/f 到上千 ...

flyingf兄说得对,上面那颗电阻如果加了10V的直流电压,过剩噪声在20Hz~200Hz范围内是0.1μV,增加了十倍,这已经超过热噪声了。

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发表于 2018-12-23 00:37 | 显示全部楼层
精彩的教科书级的总结笔记,漂亮地脱去了电阻玄学的外衣.支持!

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发表于 2018-12-23 19:38 来自手机端 | 显示全部楼层
静态噪音、静态干扰的产生机理简单,容易发现,也容易处理,动态噪音的产生和动态干扰就复杂多了,涉及到元件品质、设计参数、元件布局、布线等等又等等,实在太复杂了

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I=U/R 发表于 2018-12-23 19:38
静态噪音、静态干扰的产生机理简单,容易发现,也容易处理,动态噪音的产生和动态干扰就复杂多了,涉及到元 ...

静态噪音、静态干扰、动态噪音、动态干扰?愿闻其详。
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