Støy (elektronikk)
-
Begrepet «støy» har flere betydninger.
Denne artikkelen omhandler kildene til støy i elektroniske kretser.
Støy betegner hovedsakelig et uønsket signal som legges til et nyttesignal når det går gjennom et forsterkertrinn. Støy kan også være et ønsket signal for måleprosesser når det produseres i en støygenerator.
Alle aktive forsterkertrinn produserer en egenstøy. Egenstøyen er ofte svært svak i forhold til signalstyrken som trinnet kan behandle uten nevneverdig forvrengning. Det er når svært svake signaler (som for eksempel fra en mikrofon) skal forsterkes at støymengden i et forsterkertrinn blir relevant. Det første forsterkertrinnet forsterker i alle fall signalet noen ganger slik at neste trinn får mere tilført signal. Av den grunn er støymengden stort sett bare interessant for inngangstrinn.
Støyen stammer fra forskjellige kilder. Disse kildene kan deles opp i to grupper: De uunngåelige og de unngåelige.
Innhold |
Uunngåelig støy[rediger]
De uunngåelige støykildene er de som er gitt av naturlovene for komponentene.
Termisk støy[rediger]
ēn=4kTRΔf k=boltzmanns konstant, T=tempratur i kelvin, R=total motstand i krets, Δf=effektiv båndbredde
I ledere er de frie elektronene ikke særlig rolige. De farer i alle retninger med helt forskjellige hastigheter og de kolliderer mykt og forandrer hastighet og retning uavlatelig. Disse bevegelsene gjør elektronene enten det går strøm gjennom lederen eller ikke. Bevegelsenes hastigheter stiger med temperaturen. Energien som elektronene har tilsammen klassifiseres som en termisk energi.
En konstant likestrøm gjennom lederen fører til at gjennomsnittet av alle disse bevegelsene får en retning; uten strøm er gjennomsnittsbevegelsen lik null. På grunn av at antallet elektroner er et meget stort tall, merker vi stort sett ikke noe til de enkelte elektroners livlige oppførsel. Det vi ser er hovedsakelig gjennomsnittet av bevegelsene, altså strømmen, som en stabil verdi.
Gjennomsnittsverdien av bevegelsene er likevel ikke helt uten variasjon. Det er denne variasjonen som kalles den termiske støyen. Støyen er helt tilfeldig og inneholder like mye energi for alle frekvenser. I analogi med lysspekteret karekteriseres støytypen derfor som hvit. Se Hvit støy.
Termisk støy kalles også Johnson støy, Johnson-Nyquist støy og Nyquist støy.
For generering av støy som målesignal er støy fra motstander upraktisk svak. Store motstandsverdier gir mere støy, men kretsen belastes lett kapasitivt mot høye frekvenser. I praksis brukes derfor Zenerdioder eller Avalance-dioder som er satt til å lede konstant likestrøm i sperreretningen.
1/f-støy[rediger]
ē1/f=1/f-støy
Uunngåelig er også den såkalte 1/f-støyen (eng: flicker noise). Navnet kommer av at støymengden øker omvendt proporsjonalt med frekvensen. Den karakteriseres som rosa siden de lavfrekvente (røde i fargespektret) delene dominerer. Støyen kalles drift ved svært lave frekvenser, altså ved langtidsbetraktninger. Mot høye frekvenser drukner 1/f-støyen i den hvite støyen, mot lave frekvenser dominerer den. Mekanismen for 1/f-støydannelse er noe obskur. 1/f-støy oppstår kun der det går en likestrøm, i motsetning til termisk støy.
1/f-støy er stort sett bare relevant for DC-forsterkende trinn. Støyen kan betraktes som en varierende inngangs offset-spenning eller -strøm. 1/f-støyen dominerer oftest i frekvensområdet under 100-1000 Hz. Ovenfor dominerer den termiske støyen. Den frekvensen der termisk og 1/f-støy er like kraftige, kalles 1/f-hjørnet (eng: 1/f corner).
Svake signaler som har interessant informasjon ved svært lave frekvenser kan bare forsterkes i såkalte chopper-forsterkere. Se forsterker, avsnitt chopper-forsterker. Når f får mot null blir 1/f et stort tall og støyen blir sterk. Vitenskapen har ikke funnet en nedre grense for 1/f støymekanismen. Dog naturgitt kan det ta svært lang tid før svært eksessive verdier oppstår.
Selv om begge disse støytypene er uunngåelige, kan støyen likevel minimaliseres ved riktig design. Støyen øker med temperaturen for begge støytypene.
Støykildene er beskrevet over. Støyen som kommer ut av forsterkningstrinnet er imidlertid gitt av trinnets frekvensrespons, eller overføringsfunksjon.
Shot noise[rediger]
in=haglstøy
Denne støyen heter haglstøy på norsk. Den merkes kun ved svært små strømmer og skyldes enkeltelektroners bevegelser. Støyen er ofte noe kraftigere enn teorien tilsier, siden elektronene har en tendens til å bevege seg i små grupper.
Unngåelig støy[rediger]
Unngåelige støykilder (eng: excess noise) stammer fra komponentenes fysiske oppbygging og produksjonsmetoder, fra elde, miljøomgivelser og akselerasjon som kretsen kan bli utsatt for, for å nevne noen kilder. Slik støy kan ha alle tenkelige tidsforløp og spektra. Økende temperatur vil oftest øke støyen i denne gruppen også, men ikke alltid.
Burst noise[rediger]
Også kalt popcorn-støy. Årsaken til slik støy ligger i fremstillingsprosessen av havledere og skyldes defekter i krystallene. Støyen utgjøres av plutselige sprang av DC-verdier, opptil hundre mikrovolt, og avviket varer millisekunder til sekunder. Støyen kan minne om popcornsteking når den sendes til en høyttaler. Ofte blir komponenter (gjerne operasjonsforsterkere og enkelttransistorer) sjekket for slik støy etter fremstillengen.
Kvantiseringsstøy[rediger]
Kvantiseringsstøy oppstår ikke i forsterkere, men i koden som Analog-til-Digital-konvertere ADC gir fra seg. Støyen har omtrent samme amplituderverdi som verdien av det lavest-verdigste bitet i koden. Støyen er forskjellen mellom det analoge inngangssignalets verdi og verdien til koden som representerer den. Denne støyen er fullstendig forutsigbar i motsetning til støy generelt.
