[转]电阻与噪声

电阻与噪声

        在吉他放大器里关于电阻种类的争论是很普遍的。有些人会推荐就使用碳芯的电阻,其它人也会告诉你使用金属膜的电阻会更好。谁说的对?好了,答案就是要根据你设计的目标来定。
  从噪声这个方面来说,有几个概念首先要明确一下。
  电阻的噪声主要由三大类型组成:热噪声,接触噪声(contact noise),以及shot噪声(shot这个词汇不知道在电子领域里该如何定义更准确,用“射击噪声”有点词不达意,只好用原词)热噪声主要依赖与温度,频宽,以及阻值,shot噪声依赖与频宽以及平均直流电流大小,接触噪声依赖与平均直流电流,频宽,材料类型和几何形状。
  线绕电阻最安静,只有热噪声,其次是金属膜,金属氧化膜,碳膜,最后就是碳芯。
  下面是针对每个噪声类型的一些描述,以及一些在电路中减少它们的方法,同时附带说明一下低噪声放大器设计的一些指导纲领。
  热噪声
  一只电阻的热噪声等于:
  Vt=平方根(4KTBR)
  这里:Vt=噪声的峰值电压
  K=Boltzman常数
  T=温度(kelvin)
  B=噪声带宽
  R=阻值
  自从热噪声里有高斯可能性密度功能,以及噪声的两个独立源头是无想干的白噪声,总噪声能量等于单独噪声能量的总和。如果你模拟单独电阻作为噪声源,输出噪声电压会等于单独噪声平方总和的平方根。
  上面的公式显示出噪声的不同直接反应在阻值平方根上是成比例关系的,因此,如果你拿两个半值的电阻计算的结果和用1个电阻(阻值是两个半值的总和)计算的结果是一样的,所以总的噪音也是一样。
  通常,任何相连的被动元件的噪音等同与总阻值产生的噪音。如果我们针对纯电阻来分析,热噪声就是等同与每个相等阻值产生的噪音。因此,1K的碳膜电阻和1K的金属膜电阻产生的热噪声是一样的,和材料无关。减少此种噪声的唯一办法就是减少应用的阻值。这也就是为什么在你的输入部分不用10M欧电阻的原因。
  接触噪音
  接触噪音依赖与平均直流电流和电阻材料/尺寸。对于吉他放大器对噪音贡献最明显的噪音就是使用小功率的碳芯电阻。因为噪音是和电阻的尺寸成比例的,使用2W的碳芯电阻会比使用1/2W的要好很多。研究表明使用1/2W和2W碳芯电阻在相同条件下一个因素有三个不同之处。
  碳芯,碳膜,金属氧化,以及金属膜的主要噪声的组成就是接触噪声,在低频部分尤其明显,因为它有个1/f的属性。线绕电阻没有此噪声,仅电阻是碳材或膜制造的有。此噪音直接和流经电阻的电流以及制造电阻的材料相关。
  如果没有电流(交流或者直流)流经电阻,那么噪音就是热噪音。电流增加,接触噪音就会增加。也就是说为了低噪音,必须保持直流和交流尽量保持低。
  电阻的材料和几何尺寸会很大程度影响接触噪音。因此,如果你对使用电阻的功率有疑问,增加尺寸和空间,相应的就会减少电阻产生的接触噪音。
  Shot噪音
  Shot噪音依赖与电流,因此愈多的平均直流电流流经电阻,你就会得到愈多的噪音。为了减少这个噪音,你必须尽量减少直流电流。这对功放的第一级放大部分以及低层次部分比如反馈-再生功放,会非常的好,非常的重要。不幸的是,对于电子管通常电流越大声音会更好,因此会有妥协。实际最好的使用就是使用线绕或者金属膜电阻在这些地方,除非你要做高频率放大器,线绕电阻会有感应性,就不合适了。当然对于吉他放大器就没这个担心。
  结论
  通常,对于低噪声设计:
  尽量使用低阻值,因为阻值是和热噪音直接成比例相关。
  对于噪音线绕电阻是最佳选择,其次是金属膜,金属氧化,碳膜,最后是碳芯。然而,线绕电阻大阻值的不多见,而且有电感,在某些情况下它会导致不稳定。记住,然而,很多人都喜欢碳芯的声音,声称碳芯电阻的声音比膜的和线绕的更温暖。这个可能是因为交流信号让碳芯电阻的接触噪音调制产生失真。此噪音有个频率特性1/f(和粉红噪音类似),这个噪音要比白噪声很讨好耳朵。然而,好听的噪音依然是噪音。对于我自己的观点,应尽量把它减少到最低。信号失真是另外一个问题了。
  使用大瓦数的电阻(除非你使用线绕电阻)因为越大的几何材料产生的接触噪音会越少。
  尽量保持流过电阻的交直流电流小,因为接触噪音是和电流成正比关系。
  不要忘记电位器也是电阻元件,它们几乎都是碳芯的,而且阻值很大(比如1M欧的音量电位器)。在吉他放大器里是产生噪音的主源。要绝对减少噪音,应使用导电塑料元素的电位器,低阻值,大功率的。
  功放的第一级很重要,为了最大提高功放的信噪比,第一级的放大倍数尽量大。这样信号的放大水平会远远高于后面产生的噪音。三极管并联会增加信噪比。这是因为两个三极管产生的噪音是无想干的,噪音总和是每个独立噪音平方和的平方根,而信号却是相干的,直接相加,这样会提升3db的信噪比。五极管作为输入级尽量避免使用,因为它们会有另外一类噪音,分裂噪音(division noise),是由于在阴极和屏极之间插入廉栅极所致。如果实在是需要大增益,那就使用自偏压cascode放大方式,会有比五极管更高的增益,但是没有额外噪音。另外,cascode方式不会有常见与ef86这样五极管的麦克风效应。自偏压cascode比上管采用固偏压的好,因为它会消除电源直流对上管栅极的直接影响,而且有更温暖的声音。
  几个实用提醒:
  因为高质量的金属膜电阻比碳膜的要贵很多,玩家不必要把所有的电阻都更换成金属膜就可以得到更安静的放大器。有遵守几条通常原则,目标也就可以达到。
  前面说过噪音是和阻值成正比的,吉他放大器第一级的1M欧对地电阻产生的噪音会比68K栅极电阻产生的多的多,因为数值差了14.7倍。也就是说使用1M欧比68K电阻作为输入电阻碳芯对比金属膜会更显著更严重。然而,当吉他插入放大器,拾音器阻值/电感以及连线电容会和1M欧栅极电阻并联,因此它的影响就会显著减少。当吉他没有插入或者关闭,那么68K的栅极电阻会成为主要噪音源。根据电子管类型以及输入级的结构,电阻噪音可能大于电子管的参考输入噪音。为了最大减少噪音,使用最小可能的输入栅极电阻,虽然它依然提供RF压制
  另外,电阻噪音也和流经的电流成正比关系,100K的栅极电阻会比100K的屏极电阻的噪音小。标准屏极电流大概是1ma至2ma左右,但是栅极电流实际上几乎忽略。也就是说,屏极电阻最好使用金属膜电阻。例外就是1只电子管的屏极使用两只电阻作为分压器供给另外一只电子管的栅极。栅极无电流,但是有电流流经分压器,因此金属膜电阻在这里使用会有更小噪音。
  最后,在低一级部分噪音产生最大,比如输入级,反馈再生级,以及效果再生部分,因此屏极电阻,栅漏电阻,栅分压电位器电阻等在这些部分为了低噪音最好都使用金属膜电阻,其它增益小的部分到输出级可以使用噪音大些的电阻而不会对总噪音增加多少,因为在这点上信号的幅度远远大于电阻产生的噪音。
  对于电阻最后要认识的就是:有时会高估电阻的最大耐压值。1/2W以及1W通常只有250V至350V。在功放中使用电阻时要注意电阻的这个参数。我通常最低使用1W,500V(持续,1000V瞬间)或者2W,750V的电阻。

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