Filterung von Hochfrequenzrauschen in Audio

HF-Rauschen kann nicht nur Ihr Signal beeinflussen, es wird Ihr Signal beeinflussen.

Nur wenn ein Signal mit einem anderen phasenstarr ist, haben sie keinen dynamischen Einfluss aufeinander. Da Ihr SMPS entweder eine feste Frequenz erzeugt oder zumindest eine, die nichts mit dem von Ihnen gemachten Audio zu tun hat (lustige Idee, sie vielleicht zu sperren, aber absolut nicht machbar), wird es immer zu Störungen durch dieses Rauschen in den Samples kommen generiert.

Aus diesem Grund beinhalten gute Mixed-Signal-Designs mit mittlerer bis hoher Auflösung vollständig getrennte digitale und analoge Stromversorgungssysteme.

Wenn Sie direkt zwischen (empfindlichen) Samples einen HF-Transienten auf der analogen Stromversorgung haben, wie er beispielsweise von einem SMPS bei 1 MHz oder von einem digitalen parallelen (oder seriellen) Bus erzeugt wird, springt der Unterschied in den Samples ein wenig nach oben oder unten. Um wie viel würde stark von Ihrem DAC abhängen. Das Vorhandensein einer dieser Transienten auf der analogen Referenzspannung wird mit Sicherheit einen Einfluss von Sample zu Sample haben!

Dieses HF-Rauschen breitet sich möglicherweise nicht vollständig oder "wie es ist" durch Ihr analoges System aus, aber es wird sich mit Sicherheit auf die Audioausgabe auswirken, wenn es für diese noch eine Bedeutung hat.
1/1000 auf der Stromschiene oder 1/10000 auf der analogen Referenz sollte meiner Meinung nach Ihr absolutes Maximum sein, aber fairerweise ist das nur eine empfindliche Einschätzung von jemandem, der nicht speziell ein Audioingenieur ist. Wenn Sie also mit einem echten Audio-Profi sprechen, kann dies um ein Jahrzehnt vergehen. Lassen Sie sich nur nicht in Audiophoolery verwickeln, wenn Sie versuchen, Rauschen in μV pro kV oder ähnliches zu erzeugen.

Das Filtern kann ganz einfach sein:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Hier habe ich mich für eine gekoppelte Induktivität entschieden, da die Gesamtinduktivität für ein Rauschsignal durch den gekoppelten Leiter bei kleineren/billigeren Induktivitäten viel höher ist. Sie könnten eine Chip-Perle in Reihe damit hinzufügen, um sehr hochfrequentes Rauschen in höherem Maße zu eliminieren. Sie können auch eine Chip-Perle mit zusätzlichen 100 nF bis 1 μF an jedem Chip / Gerät / jeder Stufe einbauen, die die Leistung verwendet, um auch digitales Rauschen zu isolieren, das in DACs und dergleichen aufgenommen wird, aber in einem Audiosystem, das oft gut und wirklich vorbei ist -Planke.

Die Werte in diesem Schema sind eine schnelle Hinterkopfschätzung, die auf einer Vereinfachung des Realteils des "Widerstands" basiert, den jedes Element dem System hinzufügt. Sie können in Übertragungsfunktionen gehen, aber ich habe eine gekoppelte Gesamtinduktivität von 50 μH für die Spule verwendet und kam zu:

Z(C) = 1 / (jwC), bedeutet für eine schnelle Abschätzung, dass der scheinbare Widerstand für einen Kondensator nahe an "R(C)" = 1 / (2*pi* C) liegt. Es gelten tiefere Theorien, aber das würde dazu führen, dass diese Antwort mehrere Stunden dauern würde, die ich gerade nicht habe.

Z(L) = jwL, ergibt: „R(L)“ = 2*pi* L.

Was gibt:

C1 entspricht nahezu einem Widerstand von 0,72 Ohm bei 10 kHz.
C2 entspricht nahezu einem Widerstand von 0,16 Ohm bei 10 kHz.
Eine gekoppelte (oder einzelne) Induktivität von insgesamt effektiv 50 uH entspricht nahezu einem 3,1-Ohm-Widerstand bei 10 kHz.

Dies bedeutet, dass ein 10-kHz-Signal allein durch die Induktivität + C2-Stufe um etwa den Faktor 20 gedämpft wird. Grundsätzlich ist C1 nur dazu da, den hochfrequenten Komponenten in der Nähe des Filters einen Weg zu geben, aber wie Sie mit einem 0,5-Ohm-Widerstand in Kabeln und dergleichen sehen können, hilft es bereits, Rauschen zu filtern. Ein Faktor 20 der Spannung würde, wenn ich mich nicht irre, gleichbedeutend mit -26 dB sein. Bei höheren Frequenzen wird dies schnell zu -70 dB oder besser.

Für gut ausgewählte Teile bis zu mehreren MHz wird der Widerstand in den Kondensatoren durch jede Frequenzmultiplikation geteilt. Also 0,072 Ohm für 100kHz für C1 usw. Wobei sich der "Scheinwiderstand" der Induktivität multipliziert, also 31 Ohm für 100kHz usw.

Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass bei diesen niedrigen Scheinwiderständen der ESR/DC-Widerstand der Komponenten einen großen Einfluss hat. Wenn die Kondensatoren einen ESR von 5 Ohm haben, ist die Filterung stark eingeschränkt, sodass Sie die Kapazität von 100 uF möglicherweise zu einer kleinen Gruppe kleinerer Kondensatoren machen möchten. Möglicherweise mit ein paar 1uF/100nF-Keramiken, um dem Rauschen auf MHz-Ebene wirklich den Stachel zu nehmen. Beachten Sie auch, dass lange Wicklungsdrähte oder Leiterbahnen zu den Kondensatoren von der Stromversorgung den Widerstand und die Drahtinduktivität erhöhen, was wiederum die Filterfähigkeit einschränkt.

Natürlich werden der 3-dB-Punkt und die Gesamtunterdrückung bei Frequenz X oder Y viel besser dargestellt, wenn die richtige Filtermathematik verwendet wird, aber es ist mein Arbeitstag und das Schreiben, dass das alles zu viel Zeit in Anspruch nehmen würde, wo dies nahe genug kommt. Sehen Sie sich LC-Filter-Tutorials oder Fragen und Antworten an, um tiefere Details zur richtigen Mathematik zu erhalten.

Wenn Sie ein separates digitales System haben, das unabhängig von der analogen Versorgung betrieben werden kann, ist es am besten, diese Versorgung von der rohen und verrauschten Versorgung "abzuzapfen" und unabhängig zu filtern. Ein Grund dafür ist, dass das digitale System viel weniger Filterung benötigt. Ein weiterer Grund ist, dass dann die digitalen Spannungsspitzen durch 2 unabhängige LC-Filter von der analogen Leistung getrennt werden.

Obwohl Sie sehen können, dass ein einfacher 50Hz/60Hz-Transformator, der bereits als riesige Filterspule für AC-Transienten fungiert, das Filtern zu einer sehr einfachen Angelegenheit von 0,2 Ohm Drahtwiderstand und 10 mF Kapazität macht, um im Grunde kein Rauschen zu erhalten. Einer der Gründe, warum SMPS so lange nicht in Audiosystemen verwendet wurden. „Bewährtes“ Argument.

Ja, Sie sollten vor dem LDO einen LC-Filter verwenden, wenn Sie einen guten Klang wünschen. Sie möchten nicht, dass HF-Dreck in Ihr Audiosystem gelangt. Die Art der schrecklichen Verzerrung, die sie verursacht, ist für das Ohr viel unangenehmer als die harmonische Verzerrung.