[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。

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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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 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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 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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 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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 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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 楼主| 发表于 2018-12-23 20:04 | 显示全部楼层
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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 楼主| 发表于 2018-12-23 20:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2018-12-23 20:36 编辑
I=U/R 发表于 2018-12-23 20:25
用数学式表达的话,设功放输出信号:L+R,无输出信号:0+0,干扰信号:X。那么干扰可以有静态:(0+X)+(0 ...

    不知所云。

俺学过加法加法交换律。

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 楼主| 发表于 2018-12-23 21:06 | 显示全部楼层
I=U/R 发表于 2018-12-23 20:36
R和L虽然不算噪音,但可以互相干扰而成为另一声道的噪音

我尽力想把噪声和干扰分开,你则搅乱慨念。噪声是基于器件内部的更本质的东西,干扰是器件之间或电路之间的额外耦合,也可以是来自其他设备的干扰、大气放电和宇宙辐射。

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 楼主| 发表于 2018-12-23 21:14 | 显示全部楼层
I=U/R 发表于 2018-12-23 20:37
你敢保证你的功放输出的就是纯净的R+L吗?

我从未向任何人保证过。

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 楼主| 发表于 2018-12-23 21:15 | 显示全部楼层
I=U/R 发表于 2018-12-23 20:39
X可看作是电源变压器电磁波、大气中各种电磁波等

你尽可发挥你的空间。

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 楼主| 发表于 2018-12-23 21:35 | 显示全部楼层
jacksl528 发表于 2018-12-23 21:16
可能19楼 说的静态噪音 是指的,  元件产生的【热燥、过剩噪】这一类 无法“规避”的噪音。

“静态干扰 ...

是的,不可杜撰一些自己都说不明白的东西,让别人去猜。

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 楼主| 发表于 2018-12-23 21:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2018-12-26 19:10 编辑


          BJT的噪声
      本帖从应用的的角度,让初烧会应用规格书中有关噪声的参数来计算自己的前级和功放的噪声为目的,从攒原件时就对自己前级或功放的噪声有大致数据,从器件噪声讲起,再到线路的噪声,欢迎有兴趣的同学持续关注。
      有源器件的噪声机理比无源器件要复杂许多,BJT的噪声机构主要有有热噪声源、1/f噪声源和散弹噪声源等等,这里只是讲等效噪声电压和等效噪声电流,它是把在输出端测到的总的噪声归化到b极的结果,这与放大器在输出端测到的噪声归化到输入端的原理是一样的。把多个噪声源归化到两个噪声源,不论是BJT还是JFET,还是放大器在计算噪声时都可以把噪声等效为输入端的一个噪声电压源和一个噪声电流源。输出端的噪声电压除以电压增益就是等效的输入端的噪声电压。
一只NPN型BJT等效噪声计算模型  g.gif

      En的常用计量单位是nV/√Hz,是1Hz带宽内的噪声电压,In的常用计量单位是pA/√Hz或fA/√Hz表示1Hz带宽内的噪声电流,1Hz带宽内的噪声电压或噪声电流,常叫“噪声电压密度或噪声电流密度”,也叫“噪声电压频谱密度或噪声电流频谱密度”。

    1nV=10E9V
    1pA=10E12A
    1fA=10E15A
(相应的单位读作:纳伏、皮安、飞安,10E9表示十的九次方,其余类推)
在以后有的表述中噪声电压密度有用En或en表示,噪声电流密度有用In或in表示,源电阻有用Rs或Rg图表中也有用RG表示,意义相同。

       BJT的噪声与结构工艺密切相关,低噪声的BJT通常具有这些特征:高HFE、低rbb'、低漏电。能提供噪声数据的器件,噪声都比较低,只在放大弱信号时器件的噪声才有意义,所以未见过大功率的BJT提供过噪声数据。对于一个具体的器件在一定的工作条件下,某个频率的等效输入噪声电压En和等效输入噪声电流In都是固定的。没有听说噪声与大气压和和重力加速度有关,但是环氧密封的管子(塑封管)噪声要小些。几乎所有的噪声参数都是25℃下的数据,没有与温度为变量的曲线,但是可以肯定几乎都是恶化的。BJT的噪声与Vcb关系不大,通常高于二三十伏才有缓慢的升高,与Ic关系密切,与频率关系密切。
等效输入是电压-Vce  g.gif
      En和In与Vcb关系不大,通常高于二三十伏才有缓慢的升高。
等效输入噪声电压-Ic  g.gif   
等效输入噪声电压-f  g.gif

En-f曲线  g.gif


En∝1/√Ic,这个原则通常在1μA~100μA的范围有效,但是随着Ic的增大,En的减小趋于饱和,继续增大Ic,En还会增大。 在较大Ic时En有低频噪声,在较小Ic时有高频噪声,但是这没有什么实际意义。
In-f曲线  g.gif

这是一个BJT的In-f曲线,这个图提供了在Ic在1μA~10mA范围内的数据。In∝√Ic,但是却不是严格意义的。在所有的电流范围内In都有严重的低频噪声,斜率是20db/dec,在小电流时候有高频噪声,斜率是40db/dec。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

    利用这些曲线我们可以直接得到需要的En和In。
    在一个固定的Vce、Ic下,在指定的频率下,En/In=Rn,Rn叫噪声电阻
    En和In有什么用?一个放大器最终只需要一个等效输入噪声,用Ein表示,一只管子总是要组成一个电路才有用的,这需要合适的电源和负载,需要合适的偏置网络、耦合网络和信号源,源电阻就是偏置网络、耦合网络和信号源内阻综合的对地阻抗,是基极网络除BJT之外的对地电阻,在计算InRs时就无需考虑BJT的分流了。
    Ein2=En2 +(InRs)2 +Et2         -------------  公式2            (好像论坛不支持上标,平方显示成2了,实际上每一项都是要平方的)
    Ein:总输入噪声电压;
    Rs :源电阻。
    Et : 偏置网络和耦合网络电阻的热噪声。

      用 En和In可以直接计算出放大器的噪声,但是更多的器件只提供噪声的db值,称为噪声系数,这是高频器件沿袭下来的,在音频放大器里使用这些数据很麻烦需要换算。

图1:
2SC2240的噪声系数.jpg

图2:
2SC2240参数表.jpg

图3:10Hz噪声系数等值图
2SA1316 10Hz 噪声系数等值图.gif

图4:1kHz噪声系数等值图
2SA1316 1kHz噪声系数等值图.gif


   上图表里的Rg就是源电阻,每一个噪声系数都有测试条件:Rg、f、Vce和Ic,既是系数它就没有单位,它是一个相对Rg的倍率,即总噪声与Rg的热噪声之比的对数的20倍:

                    NF=20 log[Ein /√(4kTRB)]    --------------公式3

     BJT每一个参数的测量都有相应的电路,源电阻是偏置网络的等效值。例:Rg=1kΩ、f=1kHz、Vce=6V、Ic=1mA、NF=3db,就是说这个管子的噪声与1kΩ相同,En=4nV/√Hz,这是一个很容易记的参考点。当 源电阻Rs(或Rg)=噪声电阻 管子具有最低的噪声系数,这时的源电阻叫最佳源电阻。
    在图3和图4中,我们试求取Ic=1mA时的En,In 。
    在图3,选1mA,6db时,Rg=85Ω,另一个Rg=18kΩ,相差约200倍,可以近似认为Rg=85Ω时的Ein是85Ω电阻的热噪声与Rn之和:
          u(n)=√(4kT85Ω)=1.166nV/√Hz,   NF=6db=2
          Ein=1,166nV/√Hz×2=2.233nV/√Hz
          En=√3×1.166nV/√Hz=2.02nV/√Hz
    可以近似认为在Rg=18kΩ时Ein是18kΩ的热噪声与InRs之和:
          u(n)=√(4kT18kΩ)=16.97nV/√Hz,   NF=6db=2
          Ein=16.97nV/√Hz×2=33.94nV/√Hz
          InRs=√3×16.97nV/√Hz=29.39nV/√Hz      
          In=InRs/Rs=1.633pA/√Hz
          Rn=En/In=1.236kΩ

    在图4,选1mA,4db时,Rg=20Ω,另一个Rg=40kΩ,相差约2000倍,可以近似认为Rg=20Ω时的Ein是20Ω电阻的热噪声与Rn之和:
          u(n)=√(4kT20Ω)=0.566nV/√Hz,   NF=4db=1.59
          Ein=0.566nV/√Hz1.59=0.899nV/√Hz
          En=0.566nV/√Hz×1.236=0.700nV/√Hz
    可以近似认为在Rg=40kΩ时Ein是40kΩ的热噪声与InRs之和:
          u(n)=√(4kT40kΩ)=25.3nV/√Hz,   NF=4db=1.59
          Ein=25.3nV/√Hz×1.59=40.22nV/√Hz
          InRs=25.3nV/√Hz×1.236=31.3nV/√Hz      
          In=InRs/Rs=0.781pA/√Hz
          Rn=En/In=0.896kΩ


                      10Hz          1kHz
En(nV/√Hz)     2.02          0.700
In(pA/√Hz)     1.633         0.781
Rn   (kΩ)        1.236         0.896



持续更新,欢迎关注。







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无语密码 发表于 2018-12-24 21:19
有谁用过功放来测试100M欧的电阻噪音?
我可测不出来。测1OOK欧与100M欧没有什么区别。

你要说什么?是胡言乱语吗?

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无语密码 发表于 2018-12-25 19:30
如果测不出,那么功放的噪音,主要不是来至电阻。
你确定是电阻吗?

我从未说过功放的噪声主要来自电阻!

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 楼主| 发表于 2018-12-25 20:32 | 显示全部楼层
patch 发表于 2018-12-25 19:34
我从未说过功放的噪声主要来自电阻!

如果放大器有足够的S/N,那么噪声是不是主要来自电阻不重要,如果需要追求最大的S/N,那么我希望电阻不是噪声的最大贡献者。

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 楼主| 发表于 2018-12-27 21:45 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2019-1-3 14:36 编辑

              J-FET的噪声

      JFET的噪声模型以BJT是类似的,也可有等效噪声电压和等效噪声电流,但JFET与BJT是完全不同的两种器件,所以它们的噪声特性是完全不同的。
       J-FET是低噪声器件,不是指En而是指In,但是罕有规格书给出In的值,通常 J-FET的In要比BJT的In要低2个数量级,这是用户和研究机构广泛的测试结果。如果没有合理的选用和参数设置,J-FET的噪声可能会比BJT还大。
      J-FET的En与Vds关系不大,只是Vds在高于几十伏后En才会缓慢的增加,这与BJT类似;En与Id反相关,这是总的规律,越是En低的J-FET器件En对Id变化越是不敏感,规律也趋于简单;En有严重的低频噪声,转折频率常在数百Hz至数十千Hz,且与En和Id关系很小。
      J-FET的In与Id和Vds几乎无关,In有高频噪声,但是几乎转折频率都在音频范围之外。
沟道电阻是实体电阻它产生热噪声,是J-FET的重要噪声机构,使J-FET工作在沟道电阻低的区域就能获得低的噪声性能,就是工作在高Yfs的状态,这时频响和线性也好。但是高增益需要在较低的Id情况下获得。

以下三个器件是噪声比较小的:
IMG_20181229_2326x.jpg     IMG_20181229_2327x.jpg

IMG_20181229_2330xx.jpg


以下三个器件是噪声稍高的:

IMG_20181229_2328x.jpg     IMG_20181229_2329x.jpg


IMG_20181229_2329xx.jpg


这是2SK117的噪声特性曲线:
117噪声.jpg




这是2SK369的噪声特性曲线:
369噪声.jpg

        这两个日系器件没有给出In参数,但是在100kΩ以下源电阻应用忽略In的影响不会带来明显的误差。












图片准备中,,,,,,














补充内容 (2019-1-4 22:49):
器件的组态不会改变器件的噪声系数。比如:共栅、共源或共漏。

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 楼主| 发表于 2019-1-2 17:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 patch 于 2019-1-2 18:01 编辑

特别补充:

        噪声的运算
    噪声的运算不是加减乘除,叫叠加或求和合适些,具体就是串联和并联。
    噪声电压源的串联:
噪声电压源的串联.gif


    噪声电压源的并联:
噪声电压源的并联.gif


    噪声电流源的串联:
噪声电流源的串联.gif


    噪声电流源的并联:
噪声电流源的并联.gif
补充1:以上运算适合不相关的信号源的串联或并联。

补充2:  两个相同的噪声电压源并联,并联后的噪声电压是单个噪声电压源的√2。例:1kΩ电阻在290K时噪声电压是4nV/√Hz,两个1kΩ电阻并联后在290K噪声电压是2.828nV/√Hz,这个原则适合电阻的并联也适合BJT、J-FET等等器件的并联。





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 楼主| 发表于 2019-1-3 14:37 | 显示全部楼层
无语密码 发表于 2019-1-2 23:21
就是一直不明白一个问题,为什么频率越低,噪音就越大?

你都不知道的事我去问谁去?
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