电路噪声和抗干扰措施

湖南长沙工学院库整理电子系统或电子设备性能很大程度上与噪声和干扰有关，电子电路处理电信号的灵敏度与噪声有关。噪声对有用信号的处理产生了干扰,特别是当有用信号较弱时,噪声的影响就更为突出,严重时会使信号淹没在噪声之中而无法处理。电子电路的噪声和干扰一、研究噪声和干扰的必要性湖南长沙工学院库整理设计人员经常遇到的情况：硬件部分设计出来以后，却发现电路中的噪声太大，不得不进行重新设计和布线。电子电路的噪声问题更多地依赖于经验去解决,而不是根据规范的方法和严格的科学计算。但是，避免噪声还是存在一定的设计准则去遵循，并在电路设计开始时，就应该认真考虑与噪声相关的问题。一、研究噪声和干扰的必要性电子系统的噪声和干扰湖南长沙工学院库整理噪声与干扰没有本质区别，习惯上从器件外部窜扰进来的,称为外部噪声（干扰），从器件内部产生的,称为内部噪声。PCB调试时频繁遇到噪声称为：器件噪声、辐射噪声和传导噪声。干扰源：自然干扰：天电干扰、宇宙干扰、大地干扰工业干扰：广播电视、无线基站、工业设备一、研究噪声和干扰的必要性电源、器件之间、PCB走线之间的串扰等（EMI）现场干扰：个人手机、笔记本、测试仪等电子系统的噪声和干扰湖南长沙工学院库整理二、电子电路PCB设计时遇到的噪声种类三种噪声源：器件噪声、辐射噪声和传导噪声（一）器件噪声电阻热噪声（ThermalNoise）电感噪声晶体管噪声场效应管噪声闪烁噪声（1/f噪声）散粒噪声（ShotNoise）爆米花噪声(popcornfrequency)放大器噪声等湖南长沙工学院库整理电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下受到热激发后，在导体内部作无规则的运动（热骚动）而相互碰撞，两次碰撞之间行进时，就产生一持续时间很短的脉冲电流。许多这样的随机热骚动的电子所产生的这种脉冲电流的组合，就在电阻内部形成了无规律的电流。在一足够长的时间内，其电流平均值等于零，而瞬时值就在平均值的上下变动，称为起伏电流。温度越高,运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时,运动才会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流,起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。（1）电阻热噪声（ThermalNoise）湖南长沙工学院库整理起伏电流流经电阻R时，电阻两端就会产生噪声电压n和噪声功率。常以()VSf表示噪声的电压功率谱密度，()ISf表示噪声的电流功率谱密度。理论和实践证明，当温度为T（K）时，阻值为R的电阻所产生的噪声电压功率谱密度和噪声电流功率谱密度分别为1()44ISfkTkTGR湖南长沙工学院库整理在频带宽度B内产生的热噪声电压均方值和电流的均方值分别为24nkTRB24nikTGBk以上各式中，为玻耳兹曼常数（SoltzmannConstant）=1.38×2310JK；为热力学温度，单位为kTK。因此，噪声电压或电流的有效值为24nkTRB24nikTGB湖南长沙工学院库整理由于电阻受热影响，其起伏噪声电压的变化是不规则的,其瞬时振幅和瞬时相位是随机的,所以无法计算其瞬时值。只能统计其平均值，一般用电压均方根值表示。为便于运算，把电阻R看作一个噪声电压源（或电流源）和一个理想无噪声的电阻串联（或并联），如图所示。湖南长沙工学院库整理当实际电路中包含多个电阻时。每一个电阻都将引入一个噪声源。一般若有多个电阻并联时，总噪声电流等于各个电导所产生的噪声电流的均方值相加，若有多个电阻串联时，总噪声电压等于各个电阻所产生的噪声电压的均方值相加。湖南长沙工学院库整理例：电阻热噪声的计算结论：电阻越大、温度越高，电阻的热噪声越大。湖南长沙工学院库整理对于LC并联谐振电路，所产生的噪声电压均方值为24nekTRB式中，eR为谐振电路的谐振电阻。对图8.2.5(a)所示的电路来说，损耗电阻r所产生的噪声电压均方值为24nrkTrB在回路谐振时，折算到ab两端的电压均方值为222222444nnreLQkTrBrLkTBkTRBr得到如图8.2.5(b)所示的等效电路。湖南长沙工学院库整理注意：1、热噪声电压虽很小，但被多级放大后，特别是有用信号很微弱的情况下，会淹没在噪声中而无法被处理。2、理想电抗元件是不会产生噪声的,但实际电抗元件是有损耗电阻的,这些损耗电阻会产生噪声。对于实际电感的损耗电阻一般不能忽略,而对于实际电容的损耗电阻一般可以忽略。湖南长沙工学院库整理闪烁噪声（1/f噪声）由于半导体晶体表面不断产生或整合载流子而产生的噪声。闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效应晶体管大。其功率频谱密度随频率降低而增大。在高频工作时,可以忽略闪烁噪声。湖南长沙工学院库整理它是由单位时间内通过PN结载流子数目的随机起伏而造成的。这种噪声具有宽带的特性。2IOSqIOI式中为流过PN结的电流，q为电子电荷量。由于晶体三极管的发射结正偏，所以散粒噪声主要决定于发射极工作电流eI，其噪声电流的均方值为22eneiqIB散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关，其功率谱密度为对于双极型晶体管，散粒噪声是主要噪声源。散粒噪声（ShotNoise）湖南长沙工学院库整理散粒噪声是由栅极内的电荷不规则起伏所引起的噪声。对结型场效应管来说，则由通过PN结的漏电流引起的噪声电流均方值为22ngGiqIB式中GI为栅极漏泄电流。对于场效应管来说：散粒噪声（ShotNoise）湖南长沙工学院库整理爆米花噪声(popcornfrequency)半导体的表面若受到污染便会产生这种噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。生产半导体时若采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。)：湖南长沙工学院库整理输入参照噪声总量运放输入端等效（换算）噪声电压的计算：其中，指信源电阻；指放大器的噪声电压；指信源电阻的热噪声；指放大器的噪声电流运算放大器噪声湖南长沙工学院库整理1、信噪比：四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。信噪比SNR(SignaltoNoiseRatio)通常用分贝数表示。噪声功率信号的功率某特定频:：nsnspp(dBpp10lgS/N率）噪声系数的定义）ooo(dBpp10lgS/Nns输出信噪比：）(dBpp10lgS/Nnisii输入信噪比：体会：信噪比表示信号本身质量的好坏，信噪比越大，说明信号本身的质量越好。噪声系数：描述放大器噪声性能的一个重要指标湖南长沙工学院库整理如果放大器内部不产生噪声,当输入信号与噪声通过它时,二者都得到同样的放大,那么放大器的输出信噪比与输入信噪比相等。而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成,热噪声和散粒噪声构成其内部噪声,所以输出信噪比总是小于输入信噪比。为了衡量放大器噪声性能的好坏,提出了噪声系数这一性能指标。00nsnisioifp/Pp/PN/SN/SN放大器的噪声系数Nf(NoiseFigure)定义：输入信噪比与输出信噪比的比值,即:用分贝数表示:dB/pp/pp10lgNnosonisif湖南长沙工学院库整理在输出端产生的功率通过放大电路放大后：输入端噪声功率：输出端的噪声总功率放大电路的功率增益，ninOnsisPnOnPninnsnisioifpppPPAppApppPpPNSNSN10010000:////分析：1.噪声系数表示信号通过该网络信号质量变坏的程度。噪声系数越大说明，信号通过该网络后信号质量变坏的程度越大。2.噪声系数NF只与输出端总的噪声功率Pno和放大电路输入端噪声功率经放大后在输出端所产生的噪声功率Pno1有关，而与输入信号大小无关。湖南长沙工学院库整理结论：实际Nf1。理想情况下Pno2=0，才可能使Nf=1。其值越接近于１,则表示该放大器的内部噪声越小。放大器的噪声性能越好。噪声系数的表示no1no2Pnino2Pnino2PniPnino2no1PninofpP1ApP1ApPApApPPAppNAP:放大电路的功率增益Pn01：输入端的噪声功率Pni经放大电路放大后在输出端的噪声功率Pn02：放大电路自身产生的噪声在输出端的功率湖南长沙工学院库整理（二）辐射噪声不接触感染噪声。模拟电路工作需要电源、地线、输入和输出引线，这些引线可将外界干扰引入模拟电路。而电磁辐射信号直接作用到模拟电路上，使模拟电路受到干扰。例如，电路板上单片机的晶体振荡器，就是一个电磁辐射源，可以干扰模拟电路的工作。随着信号频率的提高，PCB上相邻信号线间的串扰将成正比地增加，并且信号线上的反射将会相应增加。如果频率更高一些，对布线的长度就有更严格的限制，根据分布参数的网络理论，高速电路与其连线间的相互作用是决定性因素，在系统设计时不能忽略。三、电路板设计时应考虑的噪声种类湖南长沙工学院库整理通常高速电路的功耗和热耗散也都很大，在做高速PCB时应引起足够的重视。当板上有毫伏级甚至微伏级的微弱信号时，对这些信号线就需要特别的关照，小信号由于太微弱，非常容易受到其它强信号的干扰，屏蔽措施常常是必要的，否则将大大降低信噪比。以致于有用信号被噪声淹没，不能有效地提取出来。三、电路板设计时应考虑的噪声种类（二）辐射噪声湖南长沙工学院库整理对PCB板子的预留调测点（测试点）也要在设计阶段加以考虑，测试点的物理位置，测试点的隔离等因素不可忽略，因为有些小信号和高频信号是不能直接把探头加上去进行测量的。此外还要考虑其他一些相关因素，如采用元器件的封装外形，板子的机械强度等。在做PCB板子前，要做出对该设计的设计目标心中有数。三、电路板设计时应考虑的噪声种类（二）辐射噪声湖南长沙工学院库整理三、电路板设计时应考虑的噪声种类（二）辐射噪声湖南长沙工学院库整理（三）传导噪声由传输线物理连接接触传染的噪声。如PCB上的传导线可能会有50赫兹的工频噪声，如效率高的开关电源却是一个高频噪声源。传导噪声的根源最终还是来源于器件噪声和辐射噪声，器件噪声和辐射噪声最后都体现在传导噪声上。如模拟地和数字地的连接共地噪声。三、电路板设计时应考虑的噪声种类湖南长沙工学院库整理（三）传导噪声三、电路板设计时应考虑的噪声种类湖南长沙工学院库整理三、电路板设计时应考虑的噪声种类湖南长沙工学院库整理（三）传导噪声三、电路板设计时应考虑的噪声种类湖南长沙工学院库整理四、电子电路抗干扰设计的依据抑制干扰源切断干扰途径保护敏感器件湖南长沙工学院库整理抑制干扰源常用的方法(1)消除线圈反向电动势的方法减少辐射和传导噪声湖南长沙工学院库整理抑制干扰源常用的方法(2)消除接点火花的方法减少辐射噪声湖南长沙工学院库整理抑制干扰源常用的方法(3)减小电机电磁噪声的方法LI=L2=100μH、C1=C2=4700pF、C3＝0.01μF左右．C1、C2接电机外壳。注意电容、电感的引线要尽量短。减少辐射噪声湖南长沙工学院库整理抑制干扰源常用的方法(4)减小高频噪声对IC干扰的方法每个IC并接一个0.01～O.1μF的高频滤波电容消除传导噪声湖南长沙工学院库整理抑制干扰源常用的方法(5)PCB板的正确布线减少辐射噪声湖南长沙工学院库整理抑制干扰源常用的方法(6)消除可控硅干扰的方法一般C1=0.01μF、R1=100—300Ω左右。减少辐射噪声湖南长沙工学院库整理切断干扰传播路径按干扰传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类(1)消除电源噪声的方法湖南长沙工学院库整理切断干扰传播路径(2)与噪声源隔离的方法L1=1.3μH左右（为磁珠电感器）。也可用1OOΩ左右的电阻代替。C1=C2=1000pF左右切断噪声传递路径湖南长沙工学院库整理切断干扰传播路径(3)晶振的正确安装切断辐射噪声传递路径湖南长沙工学院库整理（4）设计PCB板时分区要合理，如强、弱信号，高（频）、低（频）信号，数字、模拟信号要分开。尽可能把干扰源(如电机、继电器等)与敏感器件(如运放、单片机等芯片)远离。切断干扰传播路径湖南长沙工学