Støy (elektronikk)

«støy» har flere betydninger.

Elektrisk støy er en fellesbetegnelse på en rekke fenomener som påvirker nyttesignalet i et elektronisk system. Det er vanlig "å definere" elektrisk støy som uønsket og uforutsigbart. Denne definisjonen er imidlertid mangelfull både fordi den er subjektiv og det er en rekke tilfeller hvor elektrisk støy avviker fra disse to kriteriene. Elektrisk støy har stor betydning på ytelse, konstruksjon og dermed også kostnaden til elektroniske systemer. Elektrisk støy vil ha økende betydning i fremtiden på grunn av lavere forsyningspenninger, økt integrasjonsrate (mer elektronikk per areal med kortere avstand i mellom) og høyere operasjonsfrekvenser. Elektrisk støy har spesielt stor betydning ved utlesning av svake signaler fra en sensor (som f.eks. en antenne). Men også i mer "robuste" digitale systemer vil elektrisk støy ha betydning da det er med og påvirker avstanden mellom de logiske nivåer og dermed forsyningsspenningen.

Komponentstøy og koblingsstøy

Det er to hovedklasser av elektrisk støy: Komponentstøy og koblingsstøy. Komponentstøy skyldes fysiske fenomener og har vanligvis en forholdsvis jevn (ofte fallende eller horisontal) frekvenskarakteristikk. Koblingsstøy kommer fra fysiske fenomener eller kunstige kilder som blir overført via elektriske ledere eller felt (magnetisk felt, elektrisk felt eller RF). Hvis kilden er et fysisk fenomen vil frekvenskarakteristikken gjerne være jevn flat eller jevn stigende. Er kilden kunstig vil den ofte opptre som spikere. Et eksempel på koblingsstøy er signaler fra (uønskede) nabokanaler i et radiosystem (radiostøy). For å oppnå tilstrekkelig signalkvalitet i et system må begge disse støytypene være under fastsatt grense.

Fargebetegnelse av frekvensspekteret

Frekvenskarakteristikken kan beskrives ved å låne betegnelser fra fargespekteret. Støy som er dominerende ved lave frekvenser betegnes dermed som rosa støy mens støy som inneholder alle frekvenser (jevn, flat) omtales som hvit støy.

Elektrisk støy og SNR (signal til støy-forholdet)

I de fleste tilfeller er det ikke støynivået alene som har betydning, men forholdet mellom signal og støy. Det er dette forholdet som angir signalkvalitet, oppløsning, dynamikk osv. Hvis man ønsker å forbedre SNR, kunne man dermed tenke seg at man i stedet for å redusere støynivået øker signalnivået. Økt signalnivå vil gjerne bety høyere forsyningsspenninger, mer effektforbruk, høyere stråling (f.eks. i røntgenutstyr) osv. I praksis er det derimot motsatt, siden mindre effektforbruk og lavere forsyningsspenninger (og dermed signalnivåer) legger økende press på enda lavere støynivåer for å beholde (eller til og med forbedre) SNR og signalets dynamiske område.

Elektrisk støy i hverdagslivet

I tv-apparater kunne man se elektrisk støy som svart/hvite «snøstormer» når man forsøkte å ta inn en kanal langt borte. Uten støy ville man kunne ta i mot et signal uendelig langt borte og forsterke dette med en minimal energikilde.

Redusert støy øker ikke bare rekkevidden og datamengden som kan overføres ved trådløs kommunikasjon. men har også en rekke andre fordeler. Det vil kunne redusere både det elektromagnetiske feltet fra antenner, men også røntgendosen man trenger for å ta bilder av pasienter. Redusert støy gir mulighet for lavere batterispenninger og dermed lenger tid mellom hver opplading. Det vil også gi lenger levetid for moduler som baserer seg på medbrakte energikilder (som f.eks. implantater).

Det er ofte vanskelig å forutsi elektrisk støy på forhånd og redesign av elektronikk på grunn av støyproblemer er ofte en vesentlig utgiftskilde og årsak til forsinkelse i utviklingsfasen av elektronikk.

For å unngå at elektroniske moduler forstyrrer hverandre, er det definert hvor mye elektrisk støy en modul skal kunne sende ut og hvor mye den skal kunne tåle. Dette betegnes EMC (Electro Magnetic Compability) og angis i internasjonale standarder.

Mottiltak mot støy/forbedring av SNR

Det er et stort utvalg av forskjellige metoder man kan bruke for å redusere støyen/forbedre SNR-forholdet. Disse metodene kan være rettet mot årsaken til støyen eller mot hvordan støyen viser seg i systemet. Det er også vanlig å bruke metoder for å ta ut redundant informasjon fra systemet til å forbedre SNR.

Front-end og back-end-signalforbedring

Metoder for støyreduksjon/SNR-forbedring kan deles inn i front-end og back-end-metoder.

Front-end-metoder gjennomføres i sensor, elektronikken nærmest sensor og kobling/kabling etc. mellom disse. Front-end-metoder forutsetter ingen kunnskap om signalets form (men kan kreve kunnskap om spenning, strøm og frekvenskarakteristikk). Signalforbedringen skjer uavhengig av signalverdier før og etter, eller på nabokanaler.

Back-end-metoder forsøker å utnytte overflødig informasjon, og krever både at konstruktøren har kunnskap om signalets form og at det er tilgjengelig et sett av multiple målinger. Kunnskapen kan være at signalet er et modulert signal hvor konstruktøren vet hvilke tilstander det potensielt kan skifte til. Kunnskapen kan også være at signalet kommer fra en piksel i en kameramatrise og at man dermed vet at det vil være en sammenheng mellom målingene/avbildningene på de forskjellige pikslene. De multiple målingene kan komme fra nabosensorer eller fra samme sensor ved andre tidspunkter.

For å få et totalt akseptabelt signal med tilstrekkelig oppløsning, dynamikk og endringsrate må man ha en god balanse mellom front-end- og back-end-SNR-forbedring. Hvis front-end-forbedringen ikke er god nok, kan det bli vanskelig for etterfølgende signalbehandling å kompensere. Det vil for eksempel kunne være at signalet må holdes i lenger tid før man oppnår tilstrekkelig SNR (tilsvarende man gjør i kameraer ved å øke eksponeringstiden). Man vil da ikke kunne håndtere raske endringer i signalet (motivet) uten at kvaliteten svekkes. I et datatransmisjonssystem vil det bety lavere overføringshastighet. I detektorsystemer for partikkelmåling er sammenhengen mellom signalpulser liten, og det er ekstra stort press på optimale signaler og støyhåndteringen i front-end. Presset er også stort i røntgenutstyr, men da for å minimalisere tiden pasienten er utsatt for bestråling.

Inngangsforsterker

Den mest brukte universelle metode for å forbedre SNR er å plassere en forsterker som første element nærmest kilden. Dermed oppnår en at signalet er forsterket før det blir utsatt for ny støy senere i signalveien. I radiosystemer vil en gjerne plassere en forsterker i selve antennen (LNA=Low Noise Amplifier). I billedsensorer plasserer man en forsterker ved hver enkel piksel. Det eneste tilfellet hvor man ikke gjøre dette, er når det kan være nabosignaler til det ønskede som er så sterke at de kan medføre at forsterkeren går i metning og blokkerer for det ønskede signalet. I så tilfelle må man ha et skarpt filter foran inngangsforsterkeren.

Komponentstøy

Komponentstøy skyldes fysiske fenomener i elektronikkomponentene. De vanligste støytypene er termisk støy, flicker-støy og shot-noise. Det finnes også en del andre som er knyttet til hvordan de forskjellige komponentene, og spesielt sensorene, er sammensatt.

Termisk støy

Alle ledende materialer utvikler termisk støy. Den termiske støyen skyldes den tilfeldige «virrevandringen» elektronene foretar i ledende materialer. De farer i alle retninger med helt forskjellige hastigheter (stokastisk fordelt), og forandrer hastighet og retning uavlatelig. Disse bevegelsene fører til at det enten går strøm gjennom lederen eller ikke. Gjennomsnittshastigheten er proporsjonal med kvadratroten av temperaturen (i Kelvin). Energien som elektronene har tilsammen klassifiseres som en termisk energi.

‎Frie elektroner i en leder. Fargesatt for å kunne følge et enkelt elektron bedre. Det går ingen strøm. Hvis bildet vises statisk, klikk på det.

Hvis man betrakter det ledende materialet som en motstand, kan støyen modelleres som en spenning i serie med motstanden eller en strøm i parallell med den. Gjennomsnittspenningen (og strømmen) vil over tid være null, mens bredden på variasjonen rundt nullpunktet er avhengig av temperatur, motstand og frekvensbåndbredden. Den tilgjengelig støyeffekten i ethvert ledende materiale er gitt av følgende uttrykk:

P=kTΔf

Her er k= Boltsmanns konstant, T= temperaturen i Kelvin og Δf= båndbredden til målestystemet. Hvis man setter sammen to ledende materialer, eller deler dem opp i flere, vil fortsatt tilgjengelig støyeffekt være kTΔf i hvert enkelt objekt man observerer.

Støyspennigen er gitt av uttrykket:

ē_n²=4kTRΔf

Her er R motstanden i Ohm. Støyspenningen i uttrykket er den effektive RMS (Root-Mean-Square) til støyen. Siden støyen er normaltfordelt (Gauss) er denne støyspenningen lik standardvariasjonen. (Det er altså 32% sannsynlighet for at observert støy vil være større enn den beregede støyspenningen.)

Alternativt kan man modulere støyen som en strøm i parallell med motstanden og man får da uttrykket:

I_n²=4kTΔf/R

Støyen er helt tilfeldig, og inneholder like mye energi for alle frekvenser opp til noen titalls THz hvor den avtar mot null. I analogi med lysspekteret karakteriseres støytypen derfor som «hvit». Se Hvit støy.

Termisk støy kalles også «Johnson-støy» etter den første som målte og beskrev målingene i 1928 og «Nyquist-støy» etter hans kollega, som beskrev dette matematisk eller benevnes med kombinasjonen «Johnson-Nyquist-støy».

For generering av støy som målesignal er støy fra motstander upraktisk svak. Store motstandsverdier gir mer 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 (Flickerstøy)

En annen støy er flickerstøyen. Den har en lavfrekvent karakteristikk, og omtales derfor også ofte som 1/f-støy, lavfrekvent støy eller rosa-støy. Flickerstøyen skyldes ofte ujevnheter i gitterstrukturen ved overganger mellom materialer f.eks. i overgangen mellom selve halvledermaterialet og isolasjonen, for eksempel mellom silisium og silisiumoksid på integrerte kretser. Flickerstøyen vokser med strømmen som passerer det aktuelle området i komponenten. Man har dermed vesentlig flickerstøy i CMOS-kretser, hvor strømmen tvinges akkurat gjennom dette område. I bipolare komponenter derimot vil flicker-støyen være mindre, fordi strømmen når dypere ned i materialet med større avstand til overflaten.

Noe flickerstøy vil også skyldes urenheter i isolasjonsmaterialet. F.eks. vil urenheter i silisiumoksidet i CMOS bidra til økt støy.

ē_1/f²=K I^AF1/f

Her er f frekvensen, AF er en prosessparameter litt større enn en (typisk 1.1-1.4), mens K representerer en sammensetning av øvrige parametre.

Flickerstøyen vil være dominerende ved lave frekvenser, mens termisk støy vanligvis vil være dominerende for frekvensene over. 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 Chopper-forsterker.

Shot noise

Shot noise (av og til omtalt som «haglstøy» på norsk) er støy som typisk oppstår når strøm passerer over pn-overganger i halvledere. Denne skyldes at elektronene har en tendens til å gruppere seg ved passering av overgangen. I likhet med flickerstøyen vokser shot noise med strømmen. (Selv om spenningen over overgangen er null, vil ikke shot noise bli null, da hver av de balanserte drifts- og diffusjonsstrømmene vil generere slik støy).

I likhet med termisk støy er frekvenskarakteristikken flat (hvit) inntil noen titalls THz, hvor den avtar mot null.

Man finner mye shot noise i dioder og bipolare transistorer fordi strømmen passerer gjennom pn-overganger. I CMOS-transistorer går ikke signalstrømmen på tvers av pn-overganger på samme måte, og shot noise-støy er dermed vesentlig mindre. Man vil få noe shot noise på grunn av lekkasjestrømmen gjennom reversforspente sperredioder. I de nyeste teknologiene med de minste linjebreddene er tykkelsen på oksidet under gate såpass tynt at man får en vesentlig lekkasjestrøm. Denne strømmen gir også opphav til shot noise.

Unngåelig støy

«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

Også kalt popcorn-støy. Årsaken til slik støy ligger i fremstillingsprosessen av halvledere 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 fremstillingen.

Andre støylignende fenomener

Det er en noen andre fenomener som har en oppførsel som ligner på støy, men egentlig ikke tilfredsstiller kravet om uforutsigbarhet. Eksempler på dette er kvantiseringsstøy og såkalt Fixed-pattern-Noise (FPN).

Kvantiseringsstøy

Utdypende artikkel: Kvantiseringsstøy

Kvantiseringsstøy oppstår ikke i forsterkere, men i koden som analog-til-digital-omformere ADC gir fra seg. Støyen har omtrent samme amplityderverdi som verdien av det laveste bitet i koden. Støyen er forskjellen mellom det analoge inngangssignalets verdi og verdien til koden som representerer den. I motsetning til støy generelt, er denne støyen er fullstendig forutsigbar.