[其他] 聊聊噪声和干扰的那些事儿

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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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发表于 2018-12-24 21:02 | 显示全部楼层
本帖最后由 flyingf 于 2018-12-24 21:06 编辑
I=U/R 发表于 2018-12-23 21:03
我做过实验,左声道输入端接CD,输出接100W/10Ω铝功率电阻(主要目的是避免出现大音量时小信号被掩盖 ...


你講的這個是串擾,信號輸出含有另一個聲道的信號。
一般測試是一個聲道灌入信號,測量另一個聲道產生的電位,
然後換算成 dB值,但是頻率不同串擾的程度不同,
所以蚯蚓圖通常是 y軸 dB, x軸頻率。


電容跟電感串擾
未命名.jpg

兩條接近的導線,或 pcb 布線,中間會有雜散電容,
電容串擾等校電路看起來像是高通電路,高頻信號會串到另一個聲道。

電感耦合我知道的不多,Maxwell 先生的課我都在睡覺。
導線上只要有電流就會產生磁場,
大概是兩條平行線磁場,會被另一條導線的雜散電感接收。


但是聽你的敘述,比較像是共阻(共地?)的干擾,
兩邊的參考點存在共阻,所以一個聲道雖然沒有接,
但是地線上存在因為對地電流在地線上產生的壓降,
被放大的。
common ground.jpg

如果更糟糕的,甚至是負載電流有混到放大器參考點。


干擾本身是一另門學問,PCB 布線規則,
一堆有的沒的,以及裝機的方式,都是為了避免干擾、串擾,
這種東西板上比我有資格發言的人太多了,懂得不多,有錯請糾正補充。

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发表于 2018-12-24 21:19 | 显示全部楼层
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。

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发表于 2018-12-24 21:21 | 显示全部楼层
I=U/R 发表于 2018-12-23 21:03
我做过实验,左声道输入端接CD,输出接100W/10Ω铝功率电阻(主要目的是避免出现大音量时小信号被掩盖 ...

串音,这很正常的

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 楼主| 发表于 2018-12-25 17:19 | 显示全部楼层
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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发表于 2018-12-25 19:30 | 显示全部楼层
patch 发表于 2018-12-25 17:19
你要说什么?是胡言乱语吗?

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?

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 楼主| 发表于 2018-12-25 19:34 | 显示全部楼层
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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发表于 2018-12-25 21:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 jacksl528 于 2018-12-25 21:29 编辑

楼主讲的这些 应该是 进阶版的知识, 或者说是 “设计”领域所用到的知识。     业余DIY领域 能把这些学之而后用的,甚少,甚少。。   

所以也难怪 楼上有些人 要曲解意图,歪楼


借用 N版的一句话: 懂的自然懂

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发表于 2018-12-26 00:52 | 显示全部楼层
jacksl528 发表于 2018-12-25 21:28
楼主讲的这些 应该是 进阶版的知识, 或者说是 “设计”领域所用到的知识。     业余DIY领域 能把这些学之 ...

关键是跟功放设计有多大关系?
开始我以为关系蛮大的,但最后被否定了。

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发表于 2018-12-26 01:43 | 显示全部楼层
无语密码 发表于 2018-12-26 00:52
关键是跟功放设计有多大关系?
开始我以为关系蛮大的,但最后被否定了。

很明确的告诉你,只要你把DIY上升到 “设计”这个领域, 这些知识是必不可少的,

如果在设计一台功率放大器的时候,不考虑电阻热燥、不考虑半导体的噪音系数   那做出来的东西也只能停留在一个比较初级的层面。  

举个简单的例子, 你做一台放大器,如果是要自己设计, 你输入级的选管首先就要考虑管子的线性区决定最佳的工作点,此时你还得兼顾“噪音” ,什么叫最佳工作点。 它就是一个系统的设定,并不是某个值越大越好,也不是越小越好。  电阻的取值也是同理,

以上内容 明白的人自然明白。

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发表于 2018-12-26 11:07 | 显示全部楼层
楼主开贴谈噪声和干扰是很好的话题,可以让大家了解有关知识
噪声这个词比较专业,其实最后由设备的信噪比指标反应出来,diy者最关心的其实是可闻噪音和由干扰引起的噪音,

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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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patch 发表于 2018-12-27 21:45
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, ...

这个很有用。因为近期有打算动手做jeft的前级电路, 这对选管和建立jeft管的最佳工作电流 很有参考价值

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推荐2SK117 跨导高噪声低,廉价易购。  发表于 2019-1-4 18:28

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patch 发表于 2018-12-27 21:45
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, ...

就是一直不明白一个问题,为什么频率越低,噪音就越大?

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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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本帖最后由 jacksl528 于 2019-1-4 18:49 编辑
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?


可以理解为,  低频率环境下,噪音的密度会比高频的噪音密度更大.

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本帖最后由 jacksl528 于 2019-1-4 18:42 编辑

K117 确实是价廉物美,  跨导、噪音 、结电容 都很不错,价格便宜, 性价比超群

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发表于 2019-1-4 22:03 | 显示全部楼层
楼主讲得比较多,要慢慢看。想偷懒,问个具体的问题,这个问题让我比较困惑。
比如下面的沃尔曼级联电路。我知道,JFET有音频专用低噪管,但MOSFET的低频噪声很大。由于下面这个电路的工作电压很高,Q2不用BJT的话,可能就不得不用低频噪声很大的MOSFET。现在的问题是这个电路的噪声特性Q2影响大不大?是把Q1、Q2看成二个噪声电压(电流)源串联还是因为Q1有功率增益,Q2的噪声影响被降低了?
批注 2019-01-04 214723.png
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