外界干扰与电子线路中的常见噪声

外界干扰与电子线路中的常见噪声噪声与干扰通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。宽带的或持续的无用信号通常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。瞬时的或窄带的无用信号市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等实验室中的典型干扰环境50Hz电源布线，仪器内部功率单元等50Hz的谐波可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺电气触点的通/断触点的通/断总伴随着电火花或电弧高频信号开关电源大功率高频振荡器-8-6-4-20+2+4+6+8-8-6-4-2+2+4+6+80110+2+3+4+5+6+7频率单位带宽的相对功率实验室环境的噪声与干扰分布市电50Hz150Hz100Hz200Hz典型宽带干扰范围调幅广播调频广播电子线路中的常见噪声一、热噪声载流子无规则的热运动造成的噪声。约翰逊(JohnMn)1928年首先发现，所以又称为约翰逊噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声属于一种白噪声。其中，k=1.3810-23J/K(焦耳／绝对温度)，为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；f为系统的带宽；R是导体的电阻。例如，若R＝1k，f=5MHz，T＝290K，则或约翰逊的实验研究结果表明，热噪声电压取决于温度，此电压的均方值为：fkTRUT42VfkTRUT9412632321080)105(10290)1038.1(4TU1.热噪声公式推导奈奎斯特根据热力学原理研究热噪声效应，证明了与电阻有关的热噪声可用功率（资用功率，即最大输出功率）为：推导中，采用的是可用噪声功率这一概念，这是在匹配状态下的情况。绝大多数通信信道通常就是在这样状态下工作，这是因为需要通过系统传递最大的信号功率。奈奎斯特关于电阻噪声功率的推导，是基于研究无损传输线，在传输线两端接的是它的特性阻抗Z0=R，如下图(a)所示。当温度为T时，处于热平衡状态，由每一电阻产生的噪声平均功率，以电磁波形式沿线传播，并且完全被另一端所吸收。fkTPnZ0LRR(a)Z0L(b)如果传馈线的两端突然被短路，如图(b)所示，由每一电阻产生的沿线传播的噪声功率在两端都产生反射，因而形成驻波。“捕获”的能量以振荡的模式存贮起来了，好象此系统变成了谐振器或一维谐波振荡器．对于这样的谐振器，第m个模的波长为：其中L是传馈线长度，f是模的频率，是波的传播速度。如果振荡模数为m，占据频带为f，采用增量办法，可得：fLmLm22或fmLfLm22或在反射以前，经过时间，t=L/，由每个电阻传播的噪声平均功率Pn作为能量W被存贮起来，这里，W=2Pnt＝2PnL/=Pnm/f从经典理论中我们知道，处于温度为T的热平衡状态下，一维谐波振荡器中的能量分布，是与其各振荡模有关的。且每一个模的能量是：kT，因而，对于m个模，可得：W=kTm=Pnm/f或fkTPn[说明]根据量子理论，与每个振荡模相联系的平均能量，可按普朗克定律加以修正，因而得到：其中，f是振荡频率，h是普朗克常数．对于从0到1013Hz的频率范围，都有经典数值WkT。1kTfhehfW任何电阻都伴随着一个旁路电容，在电阻两端有噪声电压，与此电压变化相关的能量储存在电容的电场中，此能量由下式给出：式中，W是能量，单位为焦尔；UT是噪声电压有效值，单位为伏特。由物理学得知，若电阻与电容处于温度为T的热平衡状态，则电容器中所储存的平均能量必定是：0.5kT，即为玻尔兹曼常数与绝对温度乘积的二分之一，因此可以写出下式：推导2：221TCUWCkTUCUkTTT222121或RCUT因有效噪声功率是Z(j)的实部产生的（对应于一般阻抗的实部消耗有用功率），其等效带宽为：而阻抗Z(j)为低通滤波形式：fRC41CRdfCRfZdffjZfrr411)2(1)0()2(020111)(CRjRCjRCjRjZ则于是，fkTRCkTUT422.高频热噪声在非常高的频率下，前面用于热噪声的各个公式不能成立，虽然其原因只能用量子力学来解释，但还是可以从频率无限高的条件来分析这种情况。将噪声电压均方值式中的带宽代换为无限大，则有噪声电压均方值为无限大。但这是不可能的，因为前而已经说明，当频率非常高时，谱密度开始成为频率的函数。此密度实际上随频率的增加而下降，当温度为290K时，谱密度的显著下降发生在约1012赫处。因此，在一般电子电路工作频率范围内，可以认为电阻的热噪声为白噪声。根据戴维南定理，可以用一个热噪声电压源UT2与一个无噪声电阻R的串联，表示电阻的热噪声。另一个方法是，根据诺顿定理，可以用电流源IT2与一个无噪声电导的并联来表示。上图画出了这两种情况。在匹配状态下，负载也是R(假定是无噪声的)，则由噪声源所输出的最大可用噪声功率kTf与热噪声电压源、电流源的关系为：3.热噪声等效电路fkTGIT42以及，RUT2GIT2fkTRUfkTRURRRUTTT44)(222或则在两个电阻串联的情况下可写出下式：4.热噪声的计算21214RRRRfkTUT222212TnTTTUUUU由于噪声的性质，不能将几个噪声电压或电流直接相加在一起，而必须将各个噪声电压或电流的平方加在一起，然后开方求出总的有效噪声电压或电流。可如下表示：当两个电阻并联时，类似地：）（2122214RRfkTUUUTTT为了验证热噪声的功率计算是普适的，考虑具有两个处于温度T的电阻电路，如上图所示。这时，电阻R1将向电阻R2传输功率，设此功率为Pn1，同样，电阻R2也向电阻Rl传输功率，设此功率为Pn2，如果Pn1不等于Pn2，则净噪声功率将从一个电阻传输到另一个电阻，其中得到能量的电阻的温度将升高，不断损失能量的电阻的温度将下降，根据热力学第二定律，这是不可能发生的。5.热噪声的热平衡校验2212122212114）（）（RRRRfkTRRRUPTnR1U2T1R2U2T2R1=R2的传输功率为：同理，R2=R1的传输功率为：2212124）（RRRRfkTPn可见，Pn1=Pn2,即满足热平衡状态。6.电感器和电容器产生噪声吗?感抗和容抗不产生任何热噪声，因为电抗不耗散功率。反证法：假定与一电阻串联的电感具有一电抗，它将噪声功率分给了电阻；再假定电阻也将噪声功率分给了该电抗。若热平衡存在，则电抗接受的功率必须等于电阻所分到的功率，因为电抗所耗散的功率就是接受到的功率，而感抗又不能耗散功率，那么，电抗所分给电阻的功率只有为零。具有容抗的电容也是如此。但是，电感器的电阻部分能产生热噪声。一个实际的电感，既有感抗又有电阻，此电阻能产生热噪声，因为它与一个实际的电阻中发生的的过程相同。电容器可能内于引线电阻和漏电阻而产生小的热噪声。二、电阻的过剩噪声——1/f噪声电阻除了有热噪声外，还会产生一些附加噪声，因此实际噪声比热噪声要大。通常，把附加噪声称为过剩噪声。电阻中最主要的过剩噪声是低频噪声，来源于电阻中导电微粒的不连续性。电阻元件从微观看，是由很多不连续颗粒组成的(这在碳质电阻或碳膜电阻中更明显)，电流通过不连续点就会产生火花，使电阻的电导率发生变化，从而引起电流噪声。典型的低频噪声具有1/f噪声谱形式，又称闪烁噪声或接触噪声，电压谱密度可表示为：fRKIfUfSDTe222）（式中ID为流过电阻的直流电流。由此可见，当电阻中没有直流电流通过时，电阻中就仅有热噪声，而不会有过剩噪声。电阻中热噪声与接触噪声的形成机理不同，二者之间不存在相关性。因此，一个电阻的噪声电压谱密度为二者谱密度相加，即fRKIkTRfUfSDTe2224）（故一个实际电阻低颇段以1/f噪声为主，高频段以热噪声为主，图给出Se(f)曲线。闪烁噪声也存在于其它电子器件中。闪烁噪声是Johnson于1925年在电子管中发现的。1926年肖特基对其作了解释。Christen和earson首先在炭精粉话筒及炭精触点上测量了这种噪声。随后，在大量的其它元件及器件中都发现了它。由于闪烁噪声的谱随1/fa而改变，其中a接近于1，所以往往又称其为1/f噪声。过剩噪声的具体评价方法，是通过噪声指数NI来表示的。NI定义为一个电阻两端每—伏特的直流电压降在十倍频程内产生的均方根噪声电压(V)值，用dB表示：式中Ufe为十倍频内噪声电压；VDC＝IDR。通常，由于Ufe很小，故电阻的NI值为0dB以下。采NI作为过剩噪声的衡量指标是因为NI仅与K有关，而与f，IDR无关。DCfeVUNIlg20表明NI直接反映了低频噪声的K值，因此可以用作衡量不同材料的电阻过剩噪声的大小。下表给出各种类型电阻的NI值大致范围。从中可以看到，线绕电阻及金属膜电阻的NI值较小，适宜于用作低噪声放大器的电阻。设在低频段主要为1/f噪声则倍频程的噪声为：1010221044.0K,10NINIDCfeVU所以，代入上式，2221022102303.2303.2)(DCDffDffefeKVRKIdffRKIdffSU而如同哈尔福德指出的（源自（美）C.D.莫特钦巴切尔F.C.菲特钦：《低噪声电子设计》，P32），1/f噪声是十分普遍的。不仅在电于管、晶体管、二极管和电阻器中有，而且在热敏电阻、炭质微音器、薄膜和光源小也有。有报告说，生物系统的膜电位的起伏有闪烁效应。还没有发现一个电子放大器在最低频率时没有闪烁噪声的。哈尔福德指出，＝l是最普遍的数值，不过还有不同的其它机构存在。例如，地球旋转频率的起伏（其=2），银河辐射燥声的功率谱密度=2.7。因为1/f噪声的功率与频率成反比(K1)，所以可以在我们感兴趣的频率范围内对K1/f积分，从而确定带内的噪声容量。其结果是(其中，符号fh和fl是被考虑的频带的上限和下限频率):lllhffKffKffKNf1111lnln1所以1/f噪声的谱密度：fKfSe1）（由于1/f噪声功率随频率降低而不断升高，我们不妨问一个问题，为什么在直流时噪声并不是无穷大呢?显然在理论上1赫兹带宽的噪声电压在直流即0频率时是无穷大的，但是对绝大多数应用来说，有一些实际考虑，使总噪声可以控制。每十倍频程带宽内的噪声功率是恒定的，但是从0.1—1赫兹的十倍频程就比1—10赫兹的十倍频程窄。不过，在考虑一个直流放大器的l/f噪声时，其频率响应有一个由放大器通电时间的长短决定的下限。这个下限截止频率把周期大于设备“开通”时间的频率分量衰减掉了。举个具体数字例子。考虑一个直流放大器，其上限截止频率为1000赫芝。它已经通电一天。因为1周/天相当于10-5赫兹左右，因此，它的带宽可以认为是八个十倍频程。如果通电100天．我们可以再加两个十倍频程，即为一天噪声的根号2倍。每赫兹的噪声趋于无穷大，但总噪声不会这样。关于受1/f噪声限制的直流放大器，需要牢记的一点是，增加测量时间不能改善测量精度。与此相反，在测量白噪声时，测量精度随测量时间的平方根而提高。散粒噪声的平均功率：feIIs022三、散粒噪声散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。其中，e为电子的电荷，I0为平均电流，f为带宽。散