通信电子线路第8章噪声与干扰.ppt

第 8 章：噪声与干扰,内容提要,内容提要,由电路内部产生的无用信号称为内部噪声，简称噪声,噪声和干扰泛指除有用信号以外的其他一切无用信号，将极大影响电子设备的性能指标：,来自电路外部的无用信号称为外部噪声，通常也称为干扰,本章主要讨论自然噪声：,噪声的来源和特点,噪声的表示和计算,干扰和噪声都具有随机性,电阻热噪声的来源与特点,第一节：噪声的来源和特点,由电阻内部的自由电子无规则的热运动产生，又称为起伏噪声：,是许多持续时间极短的脉冲电流叠加的结果,长时看总和为零，但在每一瞬时电流在某一方向都有一定数值,频率范围很宽，可认为是“白噪声”,电阻热噪声的大小(一),第一节：噪声的来源和特点,噪声电压的均方值：,可看做是噪声电压在单位电阻上消耗的平均功率,功率谱密度 ：单位频带内的功率,电阻热噪声电压的功率谱密度：,波尔兹曼常数,T为热力学温度,R为电阻的阻值,电阻热噪声的大小(二),第一节：噪声的来源和特点,若系统工作频带(或测量噪声功率时的频带宽度)为 ，则电阻热噪声的均方值为：,有效值为：,实际电路中的电阻建模形式：,电阻热噪声的额定噪声功率,第一节：噪声的来源和特点,易知当噪声源的负载与其内阻匹配时，噪声源能够实现最大功率传输,对于实数阻抗网络来说，当 时，,该功率又被称为噪声源的资用功率：,仅与噪声源本身有关，与负载无关，表示噪声源输出功率的最大能力,与电阻本身的大小无关，仅与温度和系统带宽有关,例题,第一节：噪声的来源和特点,放大器的工作带宽为2MHz，信号源电阻为 ，当工作温度为 ，电压增益为 ，输入信号有效值为时，试计算输出信号有效值(有用信号和噪声)，假定放大器所产生的噪声及其它噪声可以忽略,等效噪声带宽,第一节：噪声的来源和特点,若输入信号为白噪声：,定义线性系统的等效噪声带宽为：,则有：,等效噪声带宽与输入噪声无关，而由传递函数决定,有频响的线性网络使白噪声变成有色噪声,例题,第一节：噪声的来源和特点,设下图中的电容为无损耗电容，求输出端噪声电压的均方值,无噪声RC网络的传递函数为：,故,等效噪声带宽为：,电抗元件的热噪声？,第一节：噪声的来源和特点,理想电抗元件不产生热噪声,实际的电感和电容，由于存在一定的损耗电阻或漏电导，而被认为是有噪元件,电感的损耗电阻一般不能忽略,电容的损耗电阻通常可以忽略,电感变压器的损耗电阻一般不能忽略,晶体管的噪声(一),第一节：噪声的来源和特点,晶体管噪声的来源有如下四种：,热噪声,晶体管三个区的体电阻和引线电阻均会产生热噪声。其中 为主要噪声源,散粒噪声(散弹噪声),由于载流子随机通过PN结，使得不同的瞬间发射极或集电极电流在平均值上下作不规则的起伏变化而形成,其电流功率谱密度为：,散粒噪声也是与频率无关的白噪声，但其大小与平均电流值 成正比。故在低噪声放大器中，第一级的工作电流设计得较小,晶体管的噪声(二),第一节：噪声的来源和特点,分配噪声,由于载流子在基区复合的随机性，造成集电极和基极电流的随机波动而引起的噪声，也是电流噪声,低频噪声,包括闪烁噪声( 噪声)及爆裂噪声，通常与晶体管表面状态或内部缺陷有关,闪烁噪声的特点是在低频(几千赫以下)区域，其噪声强度显著增加，且随频率降低而升高，大体上与频率成反比,工作频率越高，分配噪声越大,闪烁噪声是低频电子线路的主要噪声源，也存在于其它元器件中,二极管的噪声,第一节：噪声的来源和特点,二极管正偏状态,正偏状态下的二极管也存在散弹噪声电流，在低频范围内还需要考虑其闪烁噪声,二极管反偏状态,由于反向饱和电流较小，故散弹噪声较小,反偏工作状态下主要针对稳压二极管,齐纳型稳压管主要呈现的是散弹噪声，在频率较低时也有闪烁噪声,雪崩型稳压管的噪声较大，除散弹噪声外还有由于PN结内的缺陷和不均匀性而造成的多态噪声,场效应管的噪声,第一节：噪声的来源和特点,沟道热噪声,由导电沟道中多子不规则的热运动而产生，是场效应管的主要噪声源,栅极感应噪声,产生原因与双极型晶体管大致相同,沟道热噪声通过栅极电容 的耦合，在栅极上感应而产生噪声，其值随功率频率及 的增高而变大,闪烁噪声( 噪声),栅极散粒噪声,由栅极内电荷的不规则起伏引起,多个噪声源作用于电路时的计算,第一节：噪声的来源和特点,若各噪声源是互不相关的，即各噪声源中任一噪声源在某特定时间上的噪声电压的瞬时值与另一噪声源在该时间上的数值大小无关，则总输出噪声功率等于各自输出功率之和,否则需要考虑噪声源之间的相关系数,信噪比的定义,第一节：噪声的来源和特点,从噪声对信号影响的效果来看，不在于噪声电平的绝对值的大小，而在于信号功率与噪声功率的相对值,所以在电路的某一点上，常用信号功率与噪声功率的比值(即信噪比 )来表示噪声对有用信号的影响,信噪比不能表示从输入到输出电路在信号中注入了多少噪声,噪声系数的定义,第一节：噪声的来源和特点,即网络输入端的信噪比和输出端信噪比的比值,：电路对信号的功率增益,：输入噪声经过电路后，在电路输出端产生的噪声功率,：电路内部噪声在输出端产生的噪声功率,噪声系数示例,第一节：噪声的来源和特点,NF频率特性曲线,噪声系数等值线图。可见噪声系数还和放大器的工作条件有关,级联电路的噪声系数,第一节：噪声的来源和特点,影响级联放大器噪声性能的主要因素是第一级的噪声系数 及其功率增益,重要结论,第一节：噪声的来源和特点,2、前级对总噪声的影响最大，越后级 影响越小。,1、要使级联总噪声系数小，就得要各 级NF小、增益Api大。,常见的干扰噪声源,第二节：干扰噪声源,外部噪声干扰：,尖峰脉冲干扰,地电位差噪声,外部干扰源产生噪声.经过一定的途径将噪声耦合到信号电路中.从而形成对信号电路的外部干扰。,工频电磁场的干扰,射频噪声,摩擦电噪声,导体在磁场中的运动,电化学噪声,电容性耦合,第三节：电容性耦合与屏蔽,电路或系统的两个部分或者两个元器件，两根导线之间存在电容就有电容性耦合.,两根导线之间的电容性耦合示意图,电路,等效电路,电容性耦合,第三节：电容性耦合与屏蔽,降低电容性耦合干扰的措施,接收电路处在低阻状态或减小耦合电容C12,改变导线走向，拉开导线之间的距离,用一个屏蔽体S对导线2进行屏蔽，,电路,等效电路,电感性耦合,第四节：电感性耦合与屏蔽,若一个回路里的电流在另一个回路中产生磁通 ,则在回路1和回路2之间就存在一个互感,电感性耦合的屏蔽,第四节：电感性耦合与屏蔽,减小互感 的方法.,改变形状:如两个电感线圈回路相互垂直放置,拉开两个回路相互间的距离,减小干扰回路1中的电流,特别注意：一个不接地或者一端接地的屏蔽体，对导线的磁感应的干扰电压不起屏蔽作用。当采用两端接地的屏蔽体防止磁感应时，只有频率比较高时才能起到防磁感应的作用，频率比较低时，由于屏蔽体的阻抗比地回路阻抗大，屏蔽体不起屏蔽作用了。 防止被干扰回路受磁感应影响的最好办法是减小被干扰回路的面积。在小信号接收检测电路中，采用屏蔽方式时，不能把屏蔽体作为信号回路的一部分使用。,信号接地的方式,第五节：信号地线的接地方式,单点接地方式：工作频率低于1MHz以下.,多点接地方式：频率高于10MHz以上.,两种方式并用：频率介于1MHz和10MHz之间.,任何导线都具有一定的阻抗，也就是任何导线都具有电阻和电抗。当频率较高时，不但要考虑导线的电阻，还要考虑导线的电抗。 两个分开的接地点很难做到或很难保证是等电位。 交流电源的地线不能作为信号的地线，一段电源交流地线的两点之间会存在相当大的交流电压，对于微弱信号的回路来讲就是一个非常严重的干扰源。,注意：,单端接地连接方式,第五节：信号地线的接地方式,单点串联接地方式：,单点串联接地适用的范围及特点,接线简单，布线方便，在对噪声特性要求不高的电 路中普遍采用。 广泛应用于脉冲数字电路。 不适用于各部分电路功率差异较大的情况。 不适合用于数字和模拟混合电路情况，尤其是小信号处理系统。,单端接地连接方式,第五节：信号地线的接地方式,单点并联接地方式：,单点串联接地适用的范围及特点,这种接地方式对于低频小信号最适用。 当频率为1MHz-10MHz，要注意最长的接地线不要 超过波长的1/20。 当频率高于10MHz时，必须考虑使用多点接板地方式。,单端接地连接方式,第五节：信号地线的接地方式,多点接地方式：,多点串联接地适用的范围及特点,多点接板地方式适用于高频电路，以降低接地阻抗。 多点接板地方式不适用于低频大电流情