Видове шум, източници и методите им за отстраняване

 

Автори: Деян Левски, Цветомир Гоцов, Мирослав Борисов (c) 2009

Преди да започнем със същността на въпроса е добре да се запознаем с видовете шум, параметрите и източниците на шум в електронните схеми. Доброто познаване на шума и причините които го пораждат, би спомогнало с анализа на схемите и адекватните мерки за защита. Условно разделяме въпроса на три части. В тези части ще се запознаем с различните по своята физика шумове. Спектър на типични шумове в електрониката. Източници на шум и методи за отстраняване и защита.

1. Според механизмите на създаване на шума се разделят на:

  • топлинен шум
  • контактен шум
  • дробов (шум на Шотки)
  • импулсен шум
  • Топлинен шум: Топлиният шум се получава от топлинното движение на електроните в резистора (металите), който задава долната граница на шума съществуващ в схемата. Топлинният шум се определя като съпротивителен шум или “щум на Джонсън” или името на неговия откривател. Джонсън (1882) открива, че във всички проводници съществува известно непериодично напрежение, чиято стойност зависи от температурата. По нататък Найкуист (1928) извежда математическият израз за напрежението на шума чрез използване на термодинамичният резонанс. Той е показал, че при отворена верига ефективната стойност на напрежението на шума, съсдаден в съпротивлението е: UT = √4kTBR, където:


    к - константа на Болцман
    Т - абсолютна температура
    B - широчина на шумовата лента
    R - съпротивление

    Топлиният шум съществува във всички елементи които имат съпротивление. Нормалното изменение на температурата оказва слабо влияние върху стойността на напрежението на топлиният шум. Например при температура 117°C напрежението е само 16% по-голямо от това при температура 17°C. Напрежението на топлиният шум е пропорционално на квадратния корен от широчината на шумовата лента и съпротивлението. При заместващи схеми топлиният шум може да се изобрази като последователно на резистора се включи източник на напревение на топлиният шум UT чрез еквивалентен генератор на ток с ефективна стойност на тока: IT = √4kTB/R включен паралелно на резистора. Топлиният шум е универсална функция независимо от структyрата на резистора. Например въглероден резистор от 1000 Ω има същото количество топлинен шум, както и 1000 Ω танталов металослоен резистор. Действителният резистор има по-голям шум от неговият топлинен шум, но никога по малък. Този допълнителен или инзвънреден шум се дължи на наличието на други източници на шум. Елементите на електрическата схема могат да създават топлинен шум само ако са в състояние да разсейват енергия. Следователно реактивните съпротивления не създават топлинен шум. Доказано, е че топлиният шум създаден при едно произволно свързване на пасивни елементи, е равен на топлиният шум , който се създава от съпротивление равно на ралната част от еквивалентния импеданс на схемата. Това обстоятелство се използва за изчисление на топлиният шум в комплексни пасивни схеми.

    Спектралното разпределение на мощността на топлиният шум е равномерно. За определена ширина на лентата някъде по спектъара наличната мощност на шума е постоянна и независима от стойността на съпротивлението. Такъв шум с равномерно разпределение на енергията по отношение на честотата се нарича “бял шум”, което означава, че той е съставен от множество еднакви честотни компоненти. Много други източници на шум имат характеристика, подобна на тази на топлинен шум, и съответно се отнасят към източници на “бял шум”. Ефективната стойност на топлиния шум може да бъде пресметната, докато за моментната стойност това е възможно само ако се използва теорията на вероятностите.

    Дробовия шум е свързан с тока, протичащ през потенциална бариера. Той се дължи на флуктуацията на тока около неговата средна стойност, която е резултат на случайната емисия на електрони (или на дупки при Р-проводимост). Този шум съществува при електровакуумните прибори и полупроводници. При електровакуумните прибори дробовият шум се дъжи на случайна емисия на електрони от катода. При полупроводниците дробовият шум е резултат на случайната дифузия на носители на заряди през базата на транзистора и на случайните генерации и рекомбинации на двойките електрон-дупка. Дробовият ефект е анализиран теоритично от В.Шотки в 1918г. Той е показал, че ефективната стойност на тока на шума е равна на Ish=√2qIdcB, където:


    q - заряд на електрона
    Idc - среден постоянен ток
    B - ширина на лентата на шума

    Плътността на мощността на дробовият шум е постоянна с честотата и амплитудата има Гаусово разпределение. Шумът представлява бял шум и има същите характеристики както топлиния шум. Контактния шум се причинява от флуктyациите на проводимостта в следсвие на неидеален контакт между два материала. Това се случва навсякъде, където два проводника се допират, например в ключове и релейни системи. Такова явление се наблюдава също така и в транзистори и диоди вследсвие на лош контакт и в композиционни резистори, които са съставени от множество слепени малки частици. Контактния шум има и много други наименования. Когато се открива при резистори, той се определя като ”излишен шум”. Когато се наблюдава при електровакуумни прибори обикновенно се определя като “фликер - шум”. Вследствие на неговата равномерна честотна характерситика той се нарича често “1/f шум” или “нискочестотен шум”. Контактния шум е право пропорционален на стойността на постоянният ток. Плътността на мощността се изменя обратно пропорционално на честотата (1/f) и амплитудата. Трябва да се отбележи, че стойността на контактния шум може да стане много голяма за ниски честоти вследствие на нейната 1/f характеристика. Повечето от теоритичните постановки използвани за оценка на контактния шум, предсказват, че за някои ниски честоти амплитудата остава постоянна. Обаче измерванията на контактния шум за честоти, по-ниски от няколко цикъла на ден, указват за характеристика 1/f. Поради честотните си характеристики контактния шум е обикновено най-съществения източник на шум в нискочестотните схеми.

    Импулсният шум е открит за първи път в полупроводниковите диоди и понастоящем в интегралните схеми. Ако такъв импулсен шум бъде усилен и се подаде към високоговорител той ще звучи подобно на подскачане на царевични пуканки, заедно с топлинен шум, който създава звуков фон, подобен на шума от нагрято масло при пържене; оттук е произлязло името “пукащ шум”. За разлика от други източници на шум, обсъждани до тук, импулсният шум се дължи на дефекти при прозиводството и може да се елиминира чрез подобряване на производствените процеси. Този шум се причинява от дефекти в преходите на полупроводникови прибори. Импулсният шум се среща във вид на внезапни отскоци, като причинява дискретни промени на нивото. Широчината на импулсите на шума варира от микросекунди до секунди. Скороста на повторение, която е периодична, варира от няколко стотин импулса за секунда до по-малко от импулс за минута. За някои отделни видове елементи амплитудата остава постоянна, тъй като тя е функция на дефекта на прехода. Типично амплитудата на импулсния шум е от 2 до 100 пъти по-голяма от тази на топлиния шум. Разпределението на плътността на мощността на импулсния шум представлява характеристика 1/f , където n е обикновенно 2. Тъй като, шумът е явление, свързано с тока, напревението е най-високо в схеми с висок импеданс, например входна верига на операционен усилвател.

    Всеки един шум е кръстен на някакъв цвят, като името зависи от спектъра на шума. Това нещо наподобява естествените цветове в природата. Както всеки цвят може да бъде характеризиран с точно определени порции на основните цветове така и при шума зависимост от честотната лента на спектъра и енергията която той носи се различават различни видове шум.

  • Черен шум
  • Черният шум има различни дефиниции, но нито една от тях не е официално приета. Някои от общите дефиниции са:
    1 – тишина (без никакъв шум)
    2 – шум със спектър 1/f β като β>2
    3 – шум, който има нулева енергия при повечето честоти но съдържа рядко хаотични пикове
    4 – шумът образуват от активни системи за контрол на шума, проектирани да филтрират налични шумове.
    5 – ултразвуков бял шум, напр. бял шум който e при честоти много по-високи за да бъдат чути, но които все още могат да засегнат околната среда.

    По аналогия с телата в физиката черния шум може да бъде оприличен на идеално черно тяло което, само поглъща енергия, но не излъчва.

  • Зелен шум
  • Зеленият шум не е официално признат термин. Има няколко неофициални дефиниции:
    1 - средночестотната компонента на белия шум
    2 - шумовия фон на света - вид ново определение на шума от осреднени няколко различни външни места. Звучи приблизително като розовият шум с акцент на честотния обхват около 500 Hz

  • Оранжев шум
  • Полу-официалната дефиниция на оранжевия шум е квази-стационарен шум с ограничен мощностен спектър и ограничен брой малки честотни ленти с нулева енергия разхвърляни по спектъра. Оранжевият шум е свързан с музикалните октави. Честотните ленти с нулева енергия съвпадт с тоновете в скалата.

  • Син шум
  • Синият шум (азурен шум) е подобен на розовия шум с тази разлика, че мощностната плътност се увеличава с 3 дБ на октава когато честотата нараства. Плътността е пропорционална на честотата.

  • Кафяв шум
  • Кафевият шум е произволен шум, който имитира шумът произведен от брауновото движенние. Технически казано, спектралната плътност е пропорционална на 1/f^2, което най-общо означава, че има по-голяма енергия при ниските честоти (намаляваща с около 6 дБ на октава)

  • Сив шум
  • Сив шум е произволен шум, който звучи по един и същ начин при всички честоти за човешкото ухо. Той не е същия като белия шум, който има еднаква енергия при всички честоти. По-скоро сивият шум е пречислен като психо-акустична крива на звучене, която компенсира отклоненията на човешкото ухо, така че да звучи еднакво при една и съща честота.

  • Виолетов шум
  • Виолетовия шум е подобен на кафевият шум, с тази разлика че мощностната плътност се увеличанва с 6 дБ на октава, когато честотата се увеличава. Тя е пропорционална на честотата на квадрат.

  • Червен шум
  • Червен шум – има две дефиниции:
    1 - друго име на кафевия шум
    2 - океанографичен термин, който представя шумът на по-далечни подводни обекти

  • Розов шум
  • Розовия шум похожда на белия шум, с разликата, че съдържа еднакво количество енергия в целия честотен диапазон. Звуковите инженери използват розовия шум за да тестват дали системата има плоска АЧХ. Розов шум може да бъде генериран при поставянето на розов филтър пред източник на бял шум, който премахва по-голямата енергия от високите честоти приблизително 3дб/октава. Белия шум отговаря на бялата светлина представяйки всички честоти еднакво, розовият шум е съвпоставим с по-ниския край на спектъра на червената светлина.

  • Бял шум
  • Белият шум е хаотичен шум, който съдържа еднакво количество енергия за целия честотен диапазон. Белият шум е еквивалент на бялата светлина, всъщност от там и идва името му. Бялата светлина се състои от всички честоти на видимия спектър. Белият шум се използва при електронната музика, като директно звуков ефект или като база за синтезиране на звуци. Например много удърни инструменти имат висока компонента на бял шум. Белият шум още се използва за маскиране на други звуци.

    2. Източници на шум

    Коефициент на шума: Определението за коефициент на шума е дадено през 1940г. като метод за оценяване на шума в електронните лампи. Въпреки въведените различни сериозни ограничения този параметър е все пак широко разпространен и днес. Коефицинтът на шума (F) е количетвена оценка, с която се сравняват възможностите на елемент с шумови свойства и тези на идеален (безшумен) елемент.

    Шум в резисторите: Всички резистори, независимо от тяхната конструкция генерират шумово напрежение. Това напрежение е резултат от топлинния шум и от други източници на шум, като дробов и контактен шум. Топлинният шум не може да бъде избягнат никога, но другите източници могат да бъдат намалени или елиминирани. Пълното шумово напрежение следователно е равно или по-голямо от топлинното шумово напрежение.

    Фактор влияещ на шума на резисторите е тяхната номинална мощност. Ако два резистора с еднаква стойност от един и същи тип разсейват еднаква мощност, то резисторът с по-голяма номинална мощност обикновено ще има по-нисък шум. При протичане на ток през резисторите се поражда допълнителен шум, пропорционален на тока, като при ниски доминира контактния шум. Жичните резистори имат по-малък шум от повърхностните, а повърхностните резистори имат по-нисък шум от обемните. Ралзиката идва от това, че при повърхностните резистори хомогенността на материала е по-голяма и контактният шум е по-нисък.

    Шум в биполярни транзистори: Шумовото число е постоянно в някакъв среден честотен обхват и нараства от двете страни. Повишаването на шумовото число в областта на ниските честоти се дължи на контактния шум. Над честота f1 шумът се дължи на източниците на бял шум, състоящ се от топлинния шум на базовото съпротивление и дробовия шум в емитерния и колекторния преход. Повишаването на шумовото число на честоти над f2 следствие на намаление на усилването на транзистора, създаден в изходния (колекторния) преход който, не се влияе от усилването на транзистора.

    Шум в полевия транзистор с преход: В полевите транзистори с преход съществуват три механизма на създаване на шум: дробов шум, създаден в захранваният с обратен поляритет гейт, топлинен шум, създаван в канала между сорса и дрейна и контактен шум, създаден в преходната област между гейта и канала.

    Мрежата като замърсител: Шум от тиристорни и симисторни регулатори и комутация: Мрежата е навсякъде около нас и постоянно облъчва с електромагнити вълни с честоти 50Hz, 100Hz и кратните на тези честоти стойности. Тези вълни пречат, защото се явяват като смущения за апаратурата ако проникнат в нея още повече, че мрежата е замърсена от най-различни фактори, който ще разгледаме по-долу. Тези електромагнити вълни могат да попаднат в апаратурата например през не добра филтрация или не добра екранировка. Влиянието на проникналия шум от мрежата много добре се демонстрира при аудио усилвателите. При недобре изпълнено захранване на тонколоните се чува отчетлив брум с честота 100Hz, която идва или при не добра филтрация или чрез индукция в проводниците. Големите и мощни електромотори например 100KW, работещи в различни цехове предизвикват големи смущения, които се връщат в мрежата. Комутациите на големи токове и напрежения създават отскоци на напрежението и също вкарват различни смущения по мрежа. Тиристорните и симисторните регулатори с фазова отсечка при промяна на синодуисалната форма на напрежението могат да се получат висши хармоници с голяма амплитуда, които се връщат в мрежата и могат да объркат работата на други електроуреди в бита например. Захранванията за компютри работят с ключов елемент с висока честота и също връщат смущения в мрежата. По-марковите захранвания като FORTRON, Corsair, Zalman, Zippy в общия случай имат филтър на входа, който пречи на тези смущения да се върнат в мрежата, но по-китайските варианти на захранване нямат такива филтри, което замърсява мрежата.

    Създадени от хората източници на шум: Това са създадени източници на шум за военни цели като генератор на бял шум с достатъчна мощност за изкарване на всякаква комуникация или електроника от строя.

    3. Методи за отстраняване на шумовете в електронните устройства.

    Най-главните методи откъм физична гледна точка за намаляване на шумовете в електронните системи се подразделят в три групи:
    1 - Екраниране
    2 - Заземяване
    3 - Други методи

    Екраниране: Пренебрегвайки третата група специални методи за отстраняване на шумовете в електронните устройства, основните два начина за свеждане до минимум на нежелоното индуктиране на шум са екранирането и заземяването. Когато бива употребен на място, екранът може да намали значително индуктирания шум. Екраните могат да бъдат разположени около елементите, схемите, общо върху електронните устройства, кабелните или предавателните линии.

    Екраните се произвеждат предимно от диамагнитни материали с дебелина на екрана, много по-малка от дълбочината на скин ефекта за работната честота. Индуктивните токове в сигналния тракт на приемника са достатъчно малки, за да не смущават основното поле, като това не се прилага при екран обграждащ изцяло приемната схема.

    Екранирането бива електромагнитно, срещу нежелани интерфериращи електромагнитни вълни, и магнитно екраниране срещу постоянни и бавно изменящи се магнитни полета. Електромагнитните екрани най-често се правят от проводими материали като Al, Fe, Pb, Cu, Zn както и феритни материали. Характерно при тях е, че те трябва да бъдат достатъчно тънки, според електромагнитните полета, които екранират за да се намали скин ефекта до минимум.

    Екрани за магнитно екраниране - в повечето случаи се използват стомани и сплави с относително висока магнитна проницаемост, пермалой, електротехническа ламарина, никел-цинкови сплави и други. Важно е да се отбележи, че най-добрата форма за магнитно екраниране е цилиндъра. Защитата против електрическите полета е много по-лесна отколкото против магнитните полета. Използването на немагнитни материали за екрани около проводниците осигурява немагнитно екраниране.

    Заземяване: Заземяването е един от основните начини за намаляване до минимум на нежеланите шумове и индуктирани напрежения. Уместното използване на заземяване и екраниране в комбинация може да реши голям процент от проблемите с шума. Качественото заземяване на една система трябва да бъде конструирано така, както и останалата схема. Съществуват два основни принципа, използвани при проектирането на добре заземени системи. Първият е да се намали до минимум напрежението на шума, създадено от токовете на две или повече схеми, протичащи през общия импеданс на заземяването. Другият принцип е да се избегне създаването на токов контур на заземяването, който да бъде чувствителен към магнитни полета и към разликите в потенциалите между точките на заземяването. Заземяването ако е направено правилно, може да придобие първостепенно значение при шумовата връзка. Заземяването на сигналния тракт бива два вида:
    Заземяване в една точка
    Заземяване в повече точки

    Заземяване в една точка: От гледна точка на подтискане на нежеланите шумове, това е най-добрия подход. Последователно свързване - от техниическа гледна точка, този метод е най-лесен за изпълнение но не и най-добър. Паралелно свързване - този метод се счита за най-шумоподтискаща, но в много случаи е много трудна за практическо реализиране.

    Заземяване в повече точки: Системата за заземяване в повече точки се използва обикновено при високи честоти за намаляване на импеданса към земя. При по-горната схема схемите се свързват към най-близката налична земя с нисък импеданс, обикновено към шасито.

    Други методи: Съществуват и редица други методи за защита против интерференция, но те се базират на по-горните две методики, както на някои физични явления и методи от схемотехниката.

    Галванично развързване на захранването, развързващи резонансни филтри: В много случаи, голяма част от смущенията в електронната апаратура се внася именно от захранването и в часност от мрежата. Използвайки симфазни филтри и галванично разделящи трансформатори значително намалява достъпа на смущянията от мрежата и захранванията. За намаляване на шумовете (определена променливо-токова съставяща) в постояннотоковото захранване, се използват развързващи резонансни LRC филтри. При RC филтрите падът на напрежение през резистора причинява намаляване на захранващото напрежение. Това падение нормално ограничава степента на филтриране, възможна при такава конфигурация. LC филтрите са по-добра възможност за филтриране прециално за по-високи честоти. RC филтъра обаче има разонансна честота, през която сигналът преминал през филтъра, може да бъде по-голям отколкото не беше използван филтър. Резонансната честота трябва да бъде по-ниска от пропускащата лента на схемата свързана към филтъра.

    Техника за подтискане на шума Долби: Системата за подтискане на шума Долби е форма на динамично преусилване на определена честотна лента при запис, плюс форма на динамично атенюиране по време на възпроизвеждане, които системи работят в тандем за да подобрят съотношението сигнал-шум. Системата Долби А работи по целия честотен спектър, докато съществено по-усъвършенстваната Долби Б усилва амплитудана на сигналите около 1 Кхц и нагоре, за да премахне фоновия шум (много приличащ на белия шум) при касетните магнетофони.

    Определяне на широчина на пропускателната лента на системата: Прост, но често пъти пренебрегван метод за намаляване на шума в системата е да се ограничи широчината на пропускателната лента, която се изисква за полезния сигнал. Използването на по-широка лента, отколкото е необходима за сигнала, позволява в схемата да навлязат допълнителни шумови честоти. Същият принцип се прилага и при логически схеми. При бързодействащите логики има много по-голяма опасност от създаване на високочестотна интерференция, отколкото при бавнодействащи броячни устройства.

    Модулиране АМ, FM, РМ и кодиране PWM, AWM: Системите за аналогова модулация, като амплитудна, честотна и фазова, имат свойствена на тях устойчивост на шумови въздействия. Например честотната модулация е изключително нечувствителна към амплитудно модулирани смущения. Цифровите методи като амплитудно-импулсно, широчинно-импулсно, честотно-импулсно кодиране могат да се използват за повишаване на устойчивостта към шума.

    Цифрово филтриране: При цифровото филтриране на шумове се налага преобразуване на аналоговият сигнал в цифров, обработването му през цифров сигнален процесор под определен алгоритъм създаден за вида шум който се очаква да се инцуцира и обратното му преобразуване отново в аналогов сигнал. Често този метод е неподходящ в някои приложения, тъй като се внася известно закъснение на сигнала, както и поради сложността на създаване на универсален обезщумяващ алгоритъм за обработка.