Rauschreduktion durch parallele Messverstärker?

Hallo Norbert,

"Norbert Hahn" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@4ax.com...

digitalen

eine gleitende Mittelwertsbildung ist sicher als einfacher Tiefpaß zu betrachten, aber dann würde ich gleich einen richtigen nehmen, wenn der Aufwand das zuläßt. Nur verwechselst Du hier das "Averaging" mit Tiefpaßfilterung, denn die Mittelung wirkt hier keineswegs als Tiefpaß. Beim Beispiel "Averaging" Oszilloskop wird vielmehr eine periodische Zeitfunktion mehrmals aufaddiert, wobei unkorrelierte Störungen verringert werden, das Signal jedoch nicht. Spektral gesehen wird hier sogar das Rauschen innerhalb des Signalspektrums verringert, was ein Tiefpaß niemals kann. Du kannst das Rauschen hier mit entsprechendem Aufwand sogar beliebig unterdrücken. Das geht IMHO aber nur bei periodischen Funktionen und dafür ist ein Oszilloskop ja gedacht.

Für mich ist das Prinzip das gleiche wie beim Oszilloskop, nur daß hier nicht das Rauschen des Signals sondern des Verstärkers reduziert wird durch parallele und nicht serielle Arbeitsweise.

Vorgehensweise

Größen

Eben nicht, die Dauer ergibt sich aus der seriellen Verarbeitung.

z.B.

die

Ok, eigentlich wollte ich es nicht so kompliziert machen. Aber wenn Deine Aussage stimmen sollte, müßtest Du das Rauschen durch Parallelschaltung vollständig auf 0 bringen können. Jetzt muß ich doch mal die Physik bemühen, auch wenn's schon lange her ist. Nach dem Gleichverteilungssatz der Thermodynik oder so ähnlich würdest Du damit Deine Schaltung auf 0 Kelvin abkühlen und hättest ein Perpetuum Mobile :-).

Ein Gedankenexperiment könnte man noch machen. Man könnte ein leistungsangepaßtes Signal erst um Faktor 2 abschwächen, dann wieder um 2 verstärken und verschlechtert damit das S/N um 6 dB. Wenn man nun 1000 oder mehr solcher Anordnungen parallelschaltet und die Ausgänge addiert, so wird deshalb nie mehr als diese 6 dB herausgeholt werden können. Andernfalls hätte man eine Methode gefunden, ohne Kenntnis von Signal und Rauschen das S/N zu verbessern. Man kann das S/N immer verschlechtern, aber _niemals_ verbessern, so gemein geht es in der Welt nun mal zu ;-).

betrifft

ohm'schen

Man kann das im Detail nicht immer gut erkennen, aber das mit der Rauschanpassung und der physikalischen Grenze hat sicher noch keiner widerlegt, also kann man das immer als Anhaltspunkt nehmen. Andernfalls erliegt man Illusionen. Wenn Du Transistoren parallelschaltest, wird die Addition der Ströme sicher die Rauschgrößen entsprechend verringern. Ich kann jetzt auch nicht sagen, ob alle Rauschmechanismen im Transistor sich an die Rauschanpassung halten. Wenn nein, liegt der günstigste Fall vor und es bleibt das Widerstandsrauschen übrig. Linearität vorausgesetzt, kann man die Verstärkeranordnung nach dem Satz der Ersatzspannungsquelle durch eine Quelle mit Innenwiderstand darstellen. Diesen Innenwiderstand kann man nicht vom Rauschen befreien.

Bei der Parallelschaltung der Transistoren werden die Impedanzen immer kleiner und damit die Anpassung immer schlechter, die Rauschströme dafür entsprechend immer größer. Ich könnte mir höchstens vorstellen, daß man vielleicht das 1/f-Rauschen reduzieren kann, sicher ist das aber nicht. Es könnte aber sein, daß in Transistoren wie oben Spannungsteiler oder verlustbehaftete Leitungen sind, die das S/N verschlechtern. Dann könnte die Parallelschaltung durchaus was bringen. Ich vermute aber, daß z.B. im LT1028 das alles schon berücksichtigt ist.

Ich habe mich jetzt mit Mikrofonen und Tonabnehmern nicht so beschäftigt, bin mir aber sicher, daß der Trafo auch zur Rauschanpassung dient. Habe schon Mikrofonvorverstärker an der physikalischen Grenze gesehen mit Übertrager. Daß Röhren stärker rauschen sollen als Transistoren kann ich fast nicht glauben. Früher hat man in UKW-Empfängern die Doppeltrioden ECC81 oder so eingesetzt und die wurden als sehr gut bezeichnet. Später habe ich dann dort MOSFETS gesehen, waren offenbar auch sehr gut. Leider habe ich keine Daten von Röhren, könnte höchstens den Rauschmechanismus nachlesen, habe ich jetzt aber keine Lust dazu :-).

in

Wie oben schon erklärt, bei periodischen Funktionen kannst Du die Störungen beliebig herausmitteln. Ein Tonabnehmer oder Mikrofon liefert aber keine periodischen Funktionen, also geht das da nicht.

zu

Ich meinte nur, man kann Übertrager und OP kombinieren, um die Nichtlinearitäten des Trafos zu eliminieren. So eine Schaltung hatte ich mir vor langer Zeit mal überlegt, aber niemals aufgebaut. Erfahrungsgemäß wird man dann schwer mit Stabilitätsproblemen zu kämpfen haben.

mfg. Winfried

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Winfried Salomon
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Hier hast Du recht. Wobei die Rauschanpassung nur mittels Beruecksichtigung der Rauschleistung[1] geht. Man benoetigt also nach Vadder Ohm mindestens zwei Werte, i.A. Rauschspannung und/oder -strom plus Impedanzen der Ein- und Ausgaenge.

[1] Doch leider reicht die Angabe von Rauschleistung - wie Du schon vorher bemerktest - i.A. nicht aus; man braucht dann also doch wieder die Rauschspannung und den -strom... Oft halten sich die Hersteller aber nichtmal an solche fundamentalen Vorgaben und verschweigen einfach das ein oder andere :-(

Gruss, Ingolf (der sich noch dunkel erinnert, wie er in ESBs Rauschspannungs- und Rauschstromquellen "durch die Gegend geschoben hat, um schneller an die Loesung zur optimalen Rauschanpassung zu kommen") ;o)

Reply to
ingolf haeusler

[snip]

Also Kammfilter!

Doch. Die Bandbreite ist halt nicht an einem Stück. Aber gegen

Rauschen ~ Wurzel(Bandbreite) ist kein Kraut gewachsen. Und deswegen schrieb ich ja weiter unten Rauschbandbreite.

Nein! Wieso ist der Grenzwert von 1/Wurzel(Anzahl) gleich Null, wenn man nur begrenzte Energie zur Verfügung hat. Die Verstärker wollen ja gefüttert werden.

.. aber bitte richtig!

Du hast Rauschen von der Quelle und du hast Rauschen von der Senke (=Mess- verstärker) und selbstverständlich wird auch das Rauschen von der Senke zur Quelle übertragen - sonst würde sich in kurzer Zeit eine Temperatur- differenz einstellen.

Im Gegenteil, man muss sich bemühen, an diese Grenze überhaupt zu kommen. Denn es gibt ja noch weitere Rauschquellen, die man minimieren muss.

Unglücklicherweise hat jede Rauschquelle im Transistor ihr eigenes Optimum. Der Basisbahnwiderstand liegt in der Gegend von 10 bis 100 Ohm, liefert zum Rauschen den stärksten Beitrag, wenn die Quelle niederohmig ist (Moving Coil System beim Plattenspieler). Das Schrotrauschen des Emitterstroms dagegen fällt bei hochohmiger Quelle am meisten auf. Rauschanpassung ist dann gegeben, wenn zu der Impedanz der Quelle der passende Trasistor gewählt (Basisbahn- widerstand) und der Emitterstrom so eingestellt wird, dass s/n maximal wird.

Genau. Plus div. Rauschstromquellen.

Es gibt bei der Röhre im NF-Bereich keine Rauschanpassung, da ihr Eingangs- widerstand sehr hoch ist. Der Trafo ist schlicht ein nahezu rauschfreier Verstärker! "Nahezu rauschfrei", weil dessen Kupferwiderstand natürlich rauscht.

Rauschen ist ja proportional zur Temperatur. Und die geheizte Kathode ist hier schon von Nachteil.

Um Vergleich zu dem, was man vorher hatte, schon.

Mosfets mag ich nicht, wenn's um's Rauschen geht, zumindest nicht unter- halb 30 MHz.

Wenn die Spannungen und Ströme so klein sind, dass man an's Rauschen denkt, ist ein Trafo so linear, dass man nichts tun muss. Wenn die Leistung so groß wird, dass man an Nichtlinearitäten denken muss, spielt Rauschen keine große Rolle mehr, und man kann den Trafo in die Gegenkopplung einfügen.

Nein, zu Gegenkopplung und Rauschen schreibe ich nichts.

Norbert

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Norbert Hahn

Möchtest du damit andeuten, daß das Schrotrauschen verschiedener Transistoren deutlich miteinander korreliert? Falls ja: Warum sollte es das?

Gruß Lars

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Lars Mueller

Hallo Norbert,

Oszilloskop

was bezeichnest Du hier als Kammfilter? Wenn Du aufeinanderfolgende Perioden eines Signal aufaddierst zur Störminderung, so hat das doch mit Filterung nichts zu tun, das Spektrum ändert sich überhaupt nicht, außer daß die Störungen verschwinden.

Wenn Du hier "Anzahl" gegen unendlich gehen läßt, wird das Spannungsrauschen doch zu 0. Der Witz ist aber, daß der Rauschstrom am Innenwiderstand der Quelle dann unendlich wird. Auf den Denkfehler verfällt man leicht, Spannungs- und Stromrauschen kann man nicht trennen, sondern das Optimum liegt bei der Rauschanpassung.

Man könnte sich höchstens eine rauschfreie Spannungsquelle mit Innenwiderstand 0 vorstellen, da könnte das funktionieren, nur fällt mir da jetzt kein Beispiel ein, das wird es nicht geben.

Man kann die effektive Rauschtemperatur durchaus absenken, z.B. durch die Richtwirkung von Antennen wie beim Parabolspiegel. Wie man dann die Anpassung wählt, muß man nachrechnen.

Das Parallelschalten von Verstärkern wäre so eine Maßnahme.

an

Optimum.

zum

Coil

gegeben,

wird.

Ich nehme mal an, das stimmt so, ohne das weiter nachprüfen zu können/wollen. Die Verhältnisse im Transistor sind im Grunde äußerst kompliziert. Das mit dem Basisbahnwiderstand ist eine Vereinfachung, in Wirklichkeit liegt eine verlustbehaftete RC-Leitung vor. Das mit der Rauschanpassung ist IMHO eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung für das Optimum. Die von R unbhängigen Rauschquellen müßten noch zusätzlich betrachtet werden, außerdem die Verschlechterung durch simple Abschwächung des Signals wie besagte RC-Leitung. Als einzige Möglichkeit zur Elimination dieser Einflüsse fällt mir hier auch nur das Parallelschalten von Verstärkern ein.

Soweit ich das mal gelesen habe, optimieren die Transistorhersteller gezielt die Parameter hinsichtlich des Einsatzgebietes, bestes Beispiel Antennenverstärker. Selbst da wird aber noch Rauschen hinzugefügt, wenn auch nur wenig. Ob man da auch parallelschaltet, ist mir nicht bekannt, ausschließen möchte ich es nicht.

die

nicht

Dieses Beispiel hatte ich schlecht gewählt, es ist nur bei passiven Schaltungen sinnvoll. Bei aktiven wie OPs ist der Innenwiderstand fast 0 und die Rauschgrößen sind in der gesteuerten Quelle drin. Dadurch wird es leider ziemlich unübersichtlich, aber ich bin sicher, das Prinzip ändert sich nicht.

Eingangs-

Der ohm'sche Anteil des Trafos gibt natürlich die Grenze vor, das ist klar. Aber daß Röhren sich hier anders verhalten sollen, halte ich für falsch. Sie verhalten sich sicher ähnlich MOSFETs, die Rauschanpassung gilt auch hier. Der Trafo ist übrigens kein Verstärker, sondern er wirkt als Impedanztransformator, was etwas anderes ist. Er transformiert die Impedanz quadratisch zum Windungsverhältnis, die Spannungen und Ströme proportional bzw. umgekehrt proportional. Ein Verstärker hingegen verstärkt immer die Leistung, die beim Trafo konstant bleibt, leider addiert er zusätzlich Rauschen hinzu.

Ich bin dagegen, die Rauschtemperatur der Röhre mit der der Kathode gleichzusetzen, werde das aber aus Gründen des Aufwandes jetzt nicht nachlesen.

Vorher gab es nur irgendwas mit Dampf, der rauscht und zischt beträchtlich ;-).

Ich denke mal, in beiden Fällen ist das Spannungsrauschen sehr hoch, denn beide sind hochohmig.

mir

wird

denkt,

keine

Ich meine mich zu erinnern, daß bei Mikrofonvorverstärkern der Klirrfaktor ein Thema war, aber gut, das müßte man am konkreten Beispiel dann sehen.

IMHO ändert sich nichts, die Betrachtungen sind nur unübersichtlicher.

mfg. Winfried

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Winfried Salomon

Der passende Begriff wäre wohl Korrelation die bei periodischen Funktionen Rauschminderung ermöglicht wie man auf dem Bildschirm eines analogen Oszilloskops tatsächlich sieht. Es gibt Korrelator auch als Filter, z.B. simples FIR als matched filter. Da aber als Kreuzkorrelation, nicht Autokorrelation.

MfG JRD

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Rafael Deliano

Ups, schlecht formuliert! Schrotrauschen in bipolaren Transistoren existiert zusätzlich zum thermischen Rauschen. Bei _parallel_ geschal- teten Transistoren ist es theoretisch nicht korreliert, in der Praxis kann es Verkopplungen über die Betriebsspannung/Masse geben.

Norbert

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Norbert Hahn

Hallo Rafael,

"Rafael Deliano" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@t-online.de...

Perioden

Filterung

ja, Korellation in dem Sinne, daß korrelierte Anteile sich linear addieren und nicht korrelierte nur quadratisch, wobei schließlich die korrelierten Anteile immer größer im Verhältnis werden. Bei analogen Oszilloskopen geht das aber IMHO nicht, nur bei digitalen.

Bin jetzt in der Theorie zur Korrelation nicht drin, aber den Begriff matched Filter bringe ich eher zusammen mit optimierten Empfängern, also hinsichtlich S/N optimierte Filter. Aber das hat doch mit der Mittelung nichts zu tun, da wird garnix gefiltert. Bei der Mittelung wird einfach nur die Periodizität des Signals ausgenutzt. Bei der Parallelschaltung von Verstärkern wird auch nichts gefiltert, weil das Prinzip das Gleiche ist. FIR Filter sind übrigens nicht einfach, sondern eher als Overkill zu bezeichnen.

mfg. Winfried

Reply to
Winfried Salomon

Soweit die Triggerung noch halbwegs funktioniert überlagert sich der verrauschte Sinus am Bildschirm, der Sinus wird heller, das Rauschen aussenrum dunkler. Das digitale Oszillskop würde singleshot nur einen verrauschten Kurvenzug aufnehmen. Neuere digitale Oszilloskope haben aber rechnerische Mittelwertbildung als Option eingebaut.

( Kreuzkorrelation )

Es mittelt sicher nicht, aber es ist Korrelation und "filtert". Das Referenzsignal liegt in den Filterkoeffizienten. Simple Anwendung ist Mustererkennung für E13B-Lesegerät:

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Heft 6

MfG JRD

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Rafael Deliano

das andere Extrem ist bekannt, Infrarot-LED - kein Stromrauschen, das Zi => OO

hier nimmt man natuerlich vorzugsweise einen FET fuer geringeres Rauschen.

Gruss, Ingolf

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ingolf haeusler

Hallo Ingolf,

da

mir fällt nur dunkel ein, daß Leuchtdioden wenig rauschen, meine sie mal als Spannungsreferenz eingesetzt zu haben, bin mir aber nicht sicher, weil es zu lange her ist, vielleicht war es auch der Temperaturkoeffizient.

Bei Foto-PIN-Dioden habe ich jetzt keine Daten greifbar, aber _kein_ Stromrauschen finde ich übertrieben, höchstens _wenig_.

Erinnert mich an die werbewirksamen OP-Datenblätter: "Noise Free Kaskode".

mfg. Winfried

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Winfried Salomon

Hallo Rafael,

"Rafael Deliano" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@t-online.de...

kann sein, daß das Auge vielleicht eine gewisse Mittelung macht. Nur scheint das bei mir nicht so deutlich zu funktionieren. Das digitale Oszilloskop, das mir zur Verfügung steht, macht bis zu 2048 Mittelungen. Damit habe ich Kurven herausgeholt, die vollständig im Rauschen verschwunden waren, die hättest Du mit Deinen Augen auch nicht mehr gesehen :-).

Ist sicher interessant, habe mich aber noch nicht damit beschäftigt, wahrscheinlich ist es eher Dein Thema. Mit FIR-Filtern kann man 'ne ganze Menge machen. Mit dem Parallelschalten von Verstärkern scheint das aber nichts zu tun zu haben.

mfg. Winfried

Reply to
Winfried Salomon

ok. Damit kann ich leben...

:o)

Gruss, Ingolf

Reply to
Ingolf Haeusler

Hi,

Doch. Das Spektrum des orginal Signals hat bei periodischem Inhalt, eine Grundfrequenz (die periode die du untersuchst) und eine anzahl vielfache (die sozusagen die Form der Kurve ausmachen (also der Unterschied zu einem reinen Sinus))

Wenn nun das Osziloskop aufeinanderfolgende Perioden summiert, passiert im Spektrum ein Auslöschung aller Signal die nicht auf einem vielfachen der Grundfrequenz liegen. --> also ist das ein Kammfilter.

Gruß Alex

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Alex Wenger

Der beschriebene Effekt mag ja sein, aber der Begriff dafür ist Korrelation oder Mittelwertbildung. Für Ausführung und Frequenzgang von Kammfilter vgl z.B.

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Heft 10 S.19 Das Teil kann z.B. Netzbrumm samt Oberwellen eliminieren. Rauschen käme da aber durch.

MfG JRD

Reply to
Rafael Deliano

Hallo Alex,

"Alex Wenger" schrieb im Newsbeitrag news:d3lacb$mt3$04$ snipped-for-privacy@news.t-online.com...

(also

ach jetzt verstehe ich allmählich, warum der Begriff Kammfilter hier auftaucht, er war mir nicht so geläufig, meine ihn mal in Zusammenhang mit der Fernsehtechnik gehört zu haben. Also ein periodisches Filter, deshalb Kammfilter.

So gesehen kann man die Mittelung sicher als entartetes FIR-Filter mit allen Koeffizienten 1 betrachten. Es bräuchte auch nicht digital realisiert zu werden, Verzögerungsleitungen und Summierer reichen schon. Damit wären wir bei den transversalen und digitalen Filtern, zu denen man sich natürlich lang und breit auslassen könnte. Nur scheint mir hier ein Denkfehler vorzuliegen, der Vergleich mit FIR-Filtern hinkt, denn die Laufzeit ist beim Oszilloskop immer fest auf die Grundfrequenz synchronisiert und damit variabel, also tritt beim Signal keinerlei Filterwirkung auf, alle nichtsynchronen Komponenten hingegen, auch z.B. Netzbrummen, verschwinden.

Das mit dem "Averaging" Scope habe ich ja nur als Beispiel erwähnt, wie man sich die Parallelschaltung von Verstärkern vorstellen könnte und wie dabei die Rauschspannungen verringert werden. Daß dabei Begriffe wie Kammfilter auftauchen, ist schon etwas unerwartet, denn es paßt ja nicht zum Topic. Aber es ist schon klar, jeder lehnt sich im Verständnis erstmal an die Dinge an, mit denen er meist zu tun hat.

mfg. Winfried

Reply to
Winfried Salomon

Hallo Rafael,

"Rafael Deliano" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@t-online.de...

ich halte den Versuch, in den Topic irgendwelche Filter reinzubringen, für ein hartnäckiges Mißverständnis. Beim averaging Scope oder sonstiger Mittelwertsbildung geht das auch nur mit geistigen Klimmzügen, die auf fehlendes Verständnis hindeuten.

In meiner parallelen Mail in der Antwort auf Kammfilter ist mir auch ein Fehler unterlaufen. Ein FIR-Filter mit Koeffizienten =1 kann man nur dann als Mittelwertsbildner betrachten, wenn man die Abtastrate sehr hoch macht und die einzelnen Verzögerungselemente entsprechend kaskadiert bzw. mehrfach auslegt. Alles in allem ziemlich unrealistische Vorstellungen, denn diese Verzögerungen müßten mit dem Signal synchronisiert werden.

Ansonsten kenne ich wohl noch sogenannte Comb-Filter, die werden für die einfache Abtastratenreduktion (Decimation) verwendet, es sind Ketten von Integrierern und Differenzierern. Aber das ist etwas völlig anderes, die sollen eine einfache Bandbegrenzung machen, Rauschen können die _im_ Signalspektrum nicht beseitigen. Das kann nämlich überhaupt kein Filter, das keine Informationen über Signal und/oder Rauschen kennt. Also gehört das Thema Filter IMHO hier überhaupt nicht rein.

mfg. Winfried

Reply to
Winfried Salomon

Naja: der praktikabelste Weg Rauschen wegzubekommen ist ein Bandpaßfilter das nur den Frequenzbereich durchläßt den man wirklich braucht. "Rauschreduktion durch parallele Messverstärker" läuft auf Korrelation raus, Bandbreite wird nicht beschränkt, also keine Filter.

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Heft 10 S.23 Mittelwertfilter bzw. Averager bzw. boxcar filter: es ist ein Tiefpaß mit mauer Flankensteilheit aber angenehm einfacher Implementierung.

"Comb-Filter" ist eigentlich Kammfilter, die Terminologie wird etwas schlampig verwendet.

Im gleichen Heft unter Mittelwertfilter abgehandelt: der CIC "Cascaded integrator Comb" ist eine effizientere, aber äquivalente Realisierungsform des Mittelwertfilters. Teil ist ein Kammfilter, deshalb die Begriffsverwirrung.

MfG JRD

Reply to
Rafael Deliano

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