第3章干扰噪声及其抑制

1第三章干扰噪声及其抑制23．1环境干扰噪声3.2干扰耦合途径3．3屏蔽3．4屏蔽电缆的接地3.5电路接地3.6其它降噪技术33.1.1干扰噪声源1．天体噪声：频率很高（GHz量级），影响不大。2．射频噪声：广播电视、雷达,100kHz～几百MHz,调制或随机，µV级。3．电力线噪声：(1)电压波动±15%；(2)尖峰：幅度5～4000V，µs量级，频繁；(3)工频电磁场。4．电力器件噪声：变压器、马达、继电器、开关、晶闸管、电焊机、辉光放电、弧光放电、火花放电和电晕放电…..3．1环境干扰噪声45．地电位差噪声6．雷电：一次电流达106A，上升时间1µs，云－地面感应电场1～10kV/m，发射频率50～100MHz。7．机械起源的噪声：（1）摩擦电效应；（2）导体在磁场中运动；（3）压电效应；（4）颤噪效应（microphony）。8．其它噪声源：(1)电化学噪声；(2)温度变化引起的噪声；(3)触点噪声。53.1.2干扰噪声的频谱分布63.2干扰耦合途径3.2.1传导耦合与公共阻抗耦合公共阻抗耦合：注意公共导线具有分布电容和分布电感。传导耦合经导线传导引入,如：如交流电源线、长信号线。7去耦方法：3.2.2电源耦合83.2.3电场耦合C=πKL/cosh–1(D/d)(pF)式中：D⎯导线间的中心距离,mm；d⎯导线直径，mm；K=8.85×10−3，pF/mm；L⎯较短的一根导线的长度，mm。例如：5cm长相距1mm的直径1mm平行导线，C≈2pF。1.并行导线间分布电容：当D/d3时，C≈πKL/ln(2D/d)(pF)92.导线与平面间的分布电容)/4ln(18dhLC=(pF)式中：d、L⎯导线的直径和长度,mm；h⎯导线中心与平面间的距离，mm。例如：5cm长、直径1mm的导线与平面相距1mm，则C≈2pF。103．电场耦合噪声iiij2π1j2πVfRCufRC=+若2πfCRi1，上式可简化为Vi≈j2πfCRiu设C＝2pF,Ri＝10kΩ，u为f=50Hz的220V交流电压，则Vi≈1.4mV。若du/dt＝2V/µs则：i≈Cdu/dt＝4µA，Vi＝iRi＝40mV113.2.4磁场耦合1．电流的磁场2．电磁感应耦合设平均磁场BA的有效值为Brms，BA的方向与感应平面法线之间的夹角为θ，则Vrms＝2πfABrmscosθ70210/2πiBirrµ−==×长直导线的磁场强度：式中：µ0—空气的导磁率;r—距离,m。123．经互感耦合12ddivMt=−非铁磁平行导线之间的互感M]1)/2[ln(π20−=dLLMµ]1)/2[ln(2.0−=dLLµHH式中：L—平行长度；d—导线间距。例：L＝10cm，d=2mm，则M＝0.072µH13附近的其它低阻抗电路减少互感：]1)/4[ln(420+≈dhLMπµ]1)/4[ln(1.02+=dhLµHH例：L＝10cm，d=2mm，h=2mm，则M＝0.016µH。144．抑制磁场干扰常用方法(b)(a)(c)155.利用铁磁物质屏蔽双层屏蔽中，外层用中导磁率材料，里层用高导磁率材料。161.直线发射器2.圆环发射器3.2.5电磁辐射耦合173．3屏蔽(Shielding)„场的性质取决于源、传播介质及距离„传播介质的波阻抗：ZW=E/H(电场强度/磁场强度)„远场（辐射场）与近场（感应场）„到场源距离rλ/2π时为远场,ZW=介质波阻抗,ZW空气=377Ωrλ/2π时为近场,ZW取决于r及源特性3.3.1场传播与波阻抗源为大电流低电压时,近场主要为磁场,ZW=E/H小,干扰以感性耦合引入，-----小------高---------,--------------电---,-----------大,--------容---------------。18f1MHz时，分界点λ/2π46m，∴主要考虑近场问题193.3.2屏蔽层的吸收损耗深度x处的电场强度：Ex=E0exp(-x/δ)深度x处的磁场强度：Hx=H0exp(-x/δ)集肤深度δ：定义为场强衰减到原值37%所需深度，1πfδµσ=(m),µ为材料的导磁率，σ为电导。厚度为x的屏蔽层的吸收损耗A为A=-20lg(Ex/E0)=-20lg(Hx/H0)=8.69(x/δ)dB=132xdBµr为相对导磁率，σr为相对电导。rrfµσ203.3.3屏蔽层的反射损耗1．垂直入射211122HZHZZ=+磁场传播系数为：221122EZEZZ=+电场传播系数为：若从绝缘体（例如空气）入射到导体，则Z2Z1，上面两式简化为22112EZEZ=212HH=212．穿过屏蔽层—两次反射衰减tstsw2iissw4()EEEZZEEEZZ=⋅=+tsw2isw4()HZZHZZ=+对于空气中的金属屏蔽层，则|Zs||Zw|ttsiiw4||||EHZEHZ==将反射损耗表示为分贝，则有R=-20log|Et/Ei|=-20log|Ht/Hi|=-20×lg(|4Zs|/|Zw|)22（1）远场中的反射损耗空气的波阻抗ZW=377Ω，对于空气中的金属屏蔽层：rr=168+10lgRfσµdB（2）近场中的反射损耗1）电场为主dB，r为到干扰源的距离rE32r=322+10lgRfrσµ2）磁场为主2rMr=14.6+10lgfrRσµdB23243.3.4屏蔽效果1．屏蔽总效果S=A+R+BsdB式中：Bs—多次反射的校正项，对平面波和电场可忽略2．多层屏蔽3．屏蔽层上的开孔和接缝25讨论：（1）高频辐射与低频辐射哪个更难于屏蔽？（2）低频磁场和低频电场哪个更难于屏蔽？（3）高导磁率材料可以增加吸收损耗还是反射损耗？4.屏蔽层上的波导管波导管对磁场的衰减为S=32l/d(dB)26屏蔽效果小结•对于电场和平面波，反射损耗很大；对于低频磁场，反射损耗较小；•厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB的吸收损耗；•磁场比电场更难于屏蔽；•低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；•电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；•实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接縫情况，而不是屏蔽材料本身的屏蔽效果;•漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不是取决于开孔的面积；大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。273．4屏蔽电缆的接地3.4.1电缆屏蔽层和芯线之间的耦合sisssjjLvvRLωω=+φ=Lsisis产生的磁通φ全部包围芯线导体，所以M＝φ/is可得M＝Ls283.4.2电缆屏蔽层接地抑制电场耦合噪声212Gj1j()RCuuRCCωω=++212G2G1()CuuRCCCCω≈++时，2G1()RCCω+时，∴C与R应尽量小。1.平行导线无屏蔽21juRCuω≈292平行导线有屏蔽212G2Sj1j()RCuuRCCCωω=+++212G2S2G2S1()CuuRCCCCCCω≈++++时，2G2S1()RCCCω++时，∴C与R应尽量小。21juRCuω≈303.4.3电缆屏蔽层接地抑制磁场耦合噪声1.S不接地小回路的电路方程为:iS(jωLS+RS)-i1(jωM)=0高频时，iS≈i1，感应面积A大为减少，屏蔽效果好。2.S两端接地S1SSjj/iiRLωω=+M=LS，得(屏蔽对A及介质性质无影响)噪声衰减0dB⎯利用屏蔽使A↓314．屏蔽层混合接地低频时只有部分感应电流流经S，使A的减少有限。低频效果不好，且uG影响大。3.S一端接地，传感器浮空适用场合：干扰磁场为高频，地电位差噪声为低频。特点：无论干扰磁场频率高低，感应电流全部流经S，使A大为减少，干扰衰减达80dB。uG无影响。325.其它措施（3）减少干扰源的漏磁（1）减少感应面积A（2）改变敏感回路方向，使敏感回路所在平面与磁力线平行（4）信号线远离干扰线333.5电路接地（Grounding）特点：（1）接线简单，经常使用；（2）uAuBuC,∴前放级应置于A；（3）低噪电路不宜，各级功率差异大时不宜。3.5.1电路接地方式1.串行单点接地uA=R1(i1+i2+i3)uB=uA+R2(i2+i3)uC=uB+R3i3342.并行单点接地uA=R1i1uB=R2i2uC=R3i3特点：（1）各路地电流不耦合；（2）高频时，各级经分布C及L耦合，∴适于几MHz以下。3.多点接板地特点：（1）适于高频，板地镀银降低高频阻抗；（2）低频特性劣于单点接地。4．混和接地方式特点：兼顾高频低频。353.5.2放大器的地回路1.两点接地uG产生un，当R2Rs+R1+Ri时，i2nGi1S2GRRuuRRRRR=××+++例：当R1=R2=1Ω,RS=500Ω,Ri=10kΩ，RG=0.01Ω时，若uG=1mV，则un=0.95mV36当R2RS+R1+Ri，且RSGR2+RG时：i2nGi1sSGRRuuRRRR=⋅⋅++若漏电阻RGS=1MΩ,其余参数同前，则un=0.95nV。若漏电阻RSG=∞,则un=0；若漏电阻RSG∞，2．单点接地373．差动放大当Ri1、Ri2Rs、R1、R2时，uo≈Kus当Ri1、Ri2Rs、R1、R2时，unKuG；因Rs使括号内不为0，∴un≠0•为增大Ri,可加RAG,或用传感器浮地法，但会加大电场共模噪声。•对uG：i1i2nnAnBGi1s1i22()RRuKuuKuRRRRR⎛⎞=−=−⋅⋅⎜⎟+++⎝⎠(2)•对us：i1i2oABsi1i2s12()RRuKuuKuRRRRR+=−=⋅⋅++++(1)384.平衡差动放大当电路完成对称时,地电位差uG在A、B点只产生共模噪声，不产生差模噪声。采用平衡差动传感器，使信号源、传输线、放大器都平衡。39平衡差动放大电路中电场干扰与磁场干扰影响对电场干扰un1：对磁场干扰Φ：若平衡，则C1=C2，un1只产生共摸噪声，不产生差摸噪声。产生感生电动势un2：un2∝BA，A为环路面积。屏蔽能有效地减少A。405.防护屏蔽（GuardingShields）1AgGsg11'()'ZuuuuuZZ=++−+2BgGg22'()'ZuuuuZZ=+−+当差动电路不完全对称时，将屏蔽层接至某一电位ug，以使uG只产生共模输入，不产生差模输入。121ABABGgs112211'''()'''ZZZuuuuuuZZZZZZ⎛⎞=−=−−+⎜⎟+++⎝⎠41为使uG不产生uAB，有三种方法：121ABABGgs112211'''()'''ZZZuuuuuuZZZZZZ⎡⎤=−=−−+⎢⎥+++⎣⎦(3)1．使Z1=Z2，Z1′=Z2′，即平衡法；2．使ug=uG，即为传感器接地，放大器浮空；42uAB不再是uG的函数,∴uG对uAB无影响，为防护屏蔽。''111Ggs''''111222/()/()/()ZZZuuuZZZZZZ+−=+++代入(3)得()ABAB''1122s1///2uuuuZZZZ=−=++3.令ug=(uA+uB)/2，将uA和uB代入得双屏蔽罩电路：433.6.1隔离1．变压器隔离作用：断开地电流环局限：不适于低频及超低频信号局限：线性较差，更适于数字信号加反馈用于模拟信号2．光电隔离3．隔离放大器3.6其它降噪技术443.6.2纵向扼流变压器1.信号回路考虑下面的小回路：i2(jωL2+R2)-i1(jωM)=0当ω5R2/L2时，i2≈i1,iG≈0us=jω(L1+L2)i1–2jωMi1+(Ri+R1+R2)i1由L1=L2=M，RiR1+R2，得：i1=us/Ri对信号无影响。1222jj/iiRLωω=+由L1=L2=M，得452．地回路i1回路：uG=jωL1i1+jωMi2+(R1+Ri)i1i2回路：uG=jωL2i2+jωMi1+R2i2当ωR2/L时，unuG由L1=L2=M=L，解得：G2112i21ij()()uRiLRRRRRRω=++++由un=i1Ri,得：nG211j/uuLRω=+RiR1+R2∴G21i2ijuRiL