通信電子電路第8章-噪聲與干擾（已改）

第8章：噪聲與干擾內(nèi)容提要噪聲的來源和特點(diǎn)干擾噪聲源電容性耦合與屏蔽電感性耦合與屏蔽信號地線的接地方式概述噪聲與干擾指除了有用信號以外的其他所有無用信號。習(xí)慣上，有電路內(nèi)部產(chǎn)生的無用信號稱為內(nèi)部噪聲，來自電路外部的無用信號稱為干擾。噪聲與干擾通常都具有隨機(jī)特性。它們是影響接收機(jī)性能的主要因素之一。來自電路外部的無用信號稱為外部噪聲，通常也稱為干擾本章主要討論自然噪聲：噪聲的來源和特點(diǎn)噪聲的表示和計(jì)算干擾和噪聲都具有隨機(jī)性8.1噪聲的來源和特點(diǎn)由電阻內(nèi)部的自由電子無規(guī)則的熱運(yùn)動產(chǎn)生，又稱為起伏噪聲：是許多持續(xù)時間極短的脈沖電流疊加的結(jié)果長時看總和為零，但在每一瞬時電流在某一方向都有一定數(shù)值頻率范圍很寬，可認(rèn)為是“白噪聲”8.1.1電阻熱噪聲的大小(一)噪聲電壓的均方值：可看做是噪聲電壓在單位電阻上消耗的平均功率功率譜密度：單位頻帶內(nèi)的功率電阻熱噪聲電壓的功率譜密度：波爾茲曼常數(shù)T為熱力學(xué)溫度R為電阻的阻值電阻熱噪聲的大小(二)若系統(tǒng)工作頻帶(或測量噪聲功率時的頻帶寬度)為，則電阻熱噪聲的均方值為：電壓有效值為：電流有效值為：電阻熱噪聲的大小(三)工程應(yīng)用中，常以1KΩ電阻產(chǎn)生的噪聲電壓作為計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值越大，產(chǎn)生的熱噪聲電壓越大。所以，小阻值電阻產(chǎn)生的熱噪聲電壓比較小。在電路中，能使用小阻值電阻的地方不使用大阻值。高頻電路中電阻的等效電路：

構(gòu)成高頻電路，電阻應(yīng)該具備或選擇電阻的條件：（1）尺寸必須盡可能地?。撼叽缭叫?，高頻特性越好，其分布電容越小，分布電感也越小。（2）電阻的引線越短越好：引線越短，引線電感越小，高頻特性越好。同樣長的引線較粗的引線感抗較小。貼片電阻比引線電阻的高頻特性好。在實(shí)際應(yīng)用中，盡量采用貼片電阻。（3）低阻值的電感值小，高阻值的電感大，低阻值電阻的高頻特性比高阻值電阻高頻特性要好。（4）在一般的高頻電路中，低阻抗電路不使用高阻值電阻。（5）同種結(jié)構(gòu)材料阻值相同的電阻，其高頻特性為：功率大的比功率小的要好。8.1.2電容器的噪聲：

阻容并聯(lián)時的熱噪聲電壓與電阻的阻值無關(guān)，僅僅取決于并聯(lián)在電阻兩端的電容C及絕對溫度T的大小。電容越大，熱噪聲電壓越小。其計(jì)算公式為：構(gòu)成高頻電路的電容選擇及要求：電容的種類非常多，根據(jù)材料性質(zhì)特性合理選擇電容器。高頻電容宜選擇如高頻陶瓷類，云母類等電容，以損耗小，溫度穩(wěn)定性好為最佳。電源旁路電容可以選擇電解電容，陶瓷電容，穿心電容等。一般高頻電源的旁路電容需要大電容和小電容并聯(lián)組成。盡量不使用引線電容，使用貼片電容。引線電容存在引線電感，引線會使電容的高頻特性下降。8.1.3電感變壓器的噪聲：電感變壓器本身存在損耗電阻，會產(chǎn)生熱噪聲，其熱噪聲電壓的計(jì)算方法和電阻的熱噪聲計(jì)算方法相同。更主要的是存在電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生感應(yīng)電壓。要完全消除外來的電磁現(xiàn)象是不可能的，只能努力設(shè)法使其減小到最小程度。對于變壓器可以采用特殊繞制工藝，屏蔽措施等，使得外來的電磁感應(yīng)降低到最小。同時設(shè)法減小線圈的直流電阻，減小損耗，減低噪聲。高頻線圈通常采用帶磁性的電感線圈或者采用空心線圈繞制而成。一般工作頻率在幾十兆赫茲以下，常采用帶磁性的電感較多。如一般的455KHZ的中頻變壓器和10.7HZ中頻變壓器等較多采用帶磁性的變壓器線圈。工作頻率在100MHZ或以上時，宜采用空心線圈做電感。減小電感線圈產(chǎn)生的熱噪聲電壓，主要考慮選擇高的品質(zhì)因數(shù)Q值，降低電感線圈的損耗，減小產(chǎn)生的熱噪聲電壓。如采用線徑粗的線繞制的電感線圈比采用細(xì)的線徑繞制的電感線圈其損耗小。在高頻應(yīng)用時，會采用鍍銀線作為空心線圈的繞制導(dǎo)線。其品質(zhì)因數(shù)Q值比采用相同規(guī)格的普通漆包線的Q值要高的多。8.1.4晶體管的噪聲（一）：一、熱噪聲晶體管的熱噪聲主要有基區(qū)體電阻

產(chǎn)生，它和電阻的熱噪聲一樣，計(jì)算方法也和電阻產(chǎn)生的熱噪聲的計(jì)算相同。二、散粒噪聲散粒噪聲是通過PN結(jié)的載流子在平均電流

上隨機(jī)起伏引起的噪聲，其噪聲電流均方電流譜密度為：

(A2/HZ)

為每個載流子所載電荷量的絕對值

為通過PN結(jié)的平均電流值

為系統(tǒng)的帶寬晶體管的噪聲（二）：三、分配噪聲分配噪聲是由于載流子在基區(qū)復(fù)合的隨機(jī)性，造成基極和集電極電流的隨機(jī)波動而引起的噪聲，其集電極噪聲均方值為：四、閃爍噪聲閃爍噪聲是由晶體管的制造工藝不完善造成的噪聲，起電流譜密度近似于頻率成反比，所以閃爍噪聲又叫做

噪聲。它不是白噪聲。它主要在低頻范圍內(nèi)起作用。一般集中在頻率幾

以下的低頻范圍，在高頻工作時，可以忽略。1.二極管的噪聲1、正向偏壓工作二極管中流過的電流，會引起散粒噪聲電流。在低頻范圍內(nèi)也會產(chǎn)生閃爍噪聲。散粒噪聲是白噪聲，閃爍噪聲不是白噪聲。2、反向偏壓工作二極管反向偏壓工作時反向飽和電流較小，產(chǎn)生的散粒噪聲較小。反向工作的雪崩二極管，還有

結(jié)內(nèi)的缺陷和

結(jié)的不均勻性會造成的多態(tài)噪聲。2.雙極型晶體管的噪聲1）、雙極性型晶體管有很多種噪聲，主要有熱噪聲，低頻噪聲，散粒噪聲。晶體管中頻區(qū)的等效噪聲電壓和噪聲電流有如下表達(dá)式：

雙極晶體管在電路中主要用作放大器件，最佳噪聲系數(shù)F

最佳源內(nèi)阻Rs

2）、雙極性晶體管的特點(diǎn)①雙極型晶體管有共射極，共集電極，共基極3種接法，其噪聲系數(shù)大致相同。在選擇電路時，其接法可以不加考慮。②一般在幾KHz以下主要是低頻噪聲，即：1/f噪聲；在高頻區(qū)主要是f2噪聲；在中頻區(qū)主要是白噪聲。噪聲因數(shù)NF與工作頻率f的關(guān)系如下圖所示：③低噪聲雙極晶體管放大電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該選擇工作頻率高、輸入電阻小、放大倍數(shù)大的管子，并采用合適的源內(nèi)阻和設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。8.1.5噪聲系數(shù)放大器噪聲系數(shù)NF的定義單級線性放大器的噪聲系數(shù)多級線性放大器的噪聲系數(shù)其中：Pno為放大器輸出端的總噪聲功率

Gp為線性放大器的功率增益

Pni為信號源內(nèi)阻Rs產(chǎn)生的噪聲功率在多級線性放大器中，各級放大器的噪聲系數(shù)對于總噪聲系數(shù)的影響是不同的。前級的影響比后級的大，而且總噪聲系數(shù)還和各級的功率增益有關(guān)。所以，為了減小多級線性放大器的總噪聲系數(shù)，必須降低前級線性放大器的噪聲系數(shù)，尤其是要降低第一級線性放大器的噪聲系數(shù)，并增大前級的功率增益，尤其是第一級線性放大器的功率增益。重要結(jié)論2、前級對總噪聲的影響最大，越后級影響越小。1、要使級聯(lián)總噪聲系數(shù)小，就得要各級NF小、增益Api大。8.2干擾噪聲源（1）、尖峰脈沖干擾（2）、工頻電磁場的干擾（3）、射頻噪聲（4）、地電位差噪聲（5）、摩擦電噪聲（6）、導(dǎo)體在磁場中的運(yùn)動（7）、電化學(xué)噪聲如果信號源和放大器采用不同的接地點(diǎn)，這些接地點(diǎn)之間往往存在或大或小的地電位之差。克服地電位差噪聲的不利影響的有效辦法就是采取合適的接地技術(shù)或隔離技術(shù)。電網(wǎng)中大功率開關(guān)的通/斷，電機(jī)、變壓器和其它大功率設(shè)備的啟/停，電焊機(jī)工作等原因，工頻電網(wǎng)中頻繁出現(xiàn)尖峰干擾脈沖。如果電路板清理不好，則某些化學(xué)物質(zhì)的污染與潮濕空氣混合時就可能形成電解液，與其接觸的電路中的不同金屬之間就可能形成化學(xué)電池，造成干擾。8.3電容性耦合與屏蔽電路或系統(tǒng)的兩個部分或者兩個元器件，兩根導(dǎo)線之間存在電容就有電容性耦合，這是一種普遍存在的耦合方式。兩根導(dǎo)線之間的電容性耦合兩根導(dǎo)線之間電容性耦合等效電路圖導(dǎo)線1上的電壓為V1是干擾源電壓，導(dǎo)線2為被干擾的電路，則根據(jù)等效電路求得在導(dǎo)線2上的干擾電壓為:如果工作頻率比較低（幾百KHz工作范圍）表明，干擾電壓與干擾源的頻率，導(dǎo)線之間的耦合電容，干擾電壓及被干擾的對地電阻等參數(shù)有關(guān)。8.4電感性耦合與屏蔽

若一個回路里的電流在另一個回路中產(chǎn)生磁通，則在回路1和回路2之間就存在一個互感M?？梢钥闯?，減小M值（例如，改變形狀如:兩個電感線圈回路相互垂直放置、拉開兩個回路相互間的距離等），減小干擾回路1中的電流，都可以減小感應(yīng)電壓Vd。注意：一個不接地或者一端接地的屏蔽體，對導(dǎo)線的磁感應(yīng)的干擾電壓不起屏蔽作用。當(dāng)采用兩端接地的屏蔽體防止磁感應(yīng)時，只有頻率比較高時才能起到防磁感應(yīng)的作用。防止被干擾回路受磁感應(yīng)影響的最好辦法是減小被干擾回路的面積。8.5信號地線的接地方式信號接地的方式有兩種方式：單點(diǎn)接地方式頻率低于1MHz以下，使用單點(diǎn)接地方式；多點(diǎn)接地方式頻率高于10MHz以上時大部分采用多點(diǎn)接地方式；兩種方式并用頻率介于1MHz和10MHz之間注意的幾點(diǎn)事項(xiàng)1.任何導(dǎo)線都具有一定的阻抗，也就是任何導(dǎo)線都具有電阻和電抗。當(dāng)頻率較高時，不但要考慮導(dǎo)線的電阻，還要考慮導(dǎo)線的電抗。2.兩個分開的接地點(diǎn)很難做到或很難保證是等電位。3.交流電源的地線不能作為信號的地線，一段電源交流地線的兩點(diǎn)之間會存在相當(dāng)大的交流電壓，對于微弱信號的回路來講就是一個非常嚴(yán)重的干擾源。8.5.1單點(diǎn)接地連接方式單點(diǎn)串聯(lián)接地接地N個電路的電流流經(jīng)共同地線，相互產(chǎn)生干擾。這樣的連接方式，對于小信號是不合適的。特別是當(dāng)各電路之間的電平相差很大時，這種接地方式連接的高電平電路的地電流將會嚴(yán)重干擾低電平電路。單點(diǎn)串聯(lián)接地適用的范圍及特點(diǎn)1.接線簡單，布線方便，在對噪聲特性要求不高的電路中普遍采用。2.廣泛應(yīng)用于脈沖數(shù)字電路。3.不適用于各部分電路功率差異較大的情況。4.不適合用于數(shù)字和模擬混合電路情況，尤其是小信號處理系統(tǒng)。單點(diǎn)并聯(lián)接地這個接地方式對于低頻小信號最適用單點(diǎn)并聯(lián)接地方式的適用范圍及特點(diǎn)是：1.在高頻情況下，各部分電路的地線之間會通過分布電容和分布電感的耦合而形成相互干擾。在很高頻率的情況下，接地線的等效阻抗會很大，會像天線一樣向外發(fā)射電磁波噪聲。2.當(dāng)頻率低于1MHz時，這種接地方式很實(shí)用。3.當(dāng)頻率為1MHz-10MHz，要注意最長的接地線不要超過波長的1/20。4.當(dāng)頻率高于10MHz時，必須考慮使用多點(diǎn)接板地方式。8.5.3多點(diǎn)接板地方式多點(diǎn)接板地方式主要用于高頻電路的接地連接，以降低接地阻抗。高頻多點(diǎn)接板地的特點(diǎn)及使用范圍：1.多點(diǎn)接板地方式適用于高頻電路，以降低接地阻抗。2.多點(diǎn)接板地方式不適用于低頻大電流情況。3.多點(diǎn)接板地方式的典型應(yīng)用于印制線路板中的大面積敷銅箔設(shè)計(jì)。8.5.4混合接地方式

混合接地方式是在單點(diǎn)并聯(lián)接地的基礎(chǔ)上，各部分電路又用小電容就近連接到接地板上的一種接地方式?；旌辖拥胤绞降奶攸c(diǎn)及范圍：1.適用于各部分電路的工作頻率范圍很寬，既有高頻分量又有低頻分量的情況。2.在單點(diǎn)并聯(lián)接地的基礎(chǔ)上，各部分電路用小電容就近接到接地板上，這種接地方式是綜合了前兩種接地方式的優(yōu)點(diǎn)。3.對于低頻低電流，由于小電容的阻抗很大，相當(dāng)于單點(diǎn)并聯(lián)接地；而對于高頻地電流，小電容阻抗很小，這種方式相當(dāng)于多點(diǎn)接板地。小

結(jié)

選擇合理的接地方式，對于小信號電路的穩(wěn)定可靠工作至關(guān)重要。消除電流的干擾影響在實(shí)際應(yīng)用中還有多種方式如：1.