外界干扰与电子线路中常见噪声

1、外界干扰与电子线路中常见噪声 外界干扰与电子线路中的外界干扰与电子线路中的 常见噪声常见噪声 外界干扰与电子线路中常见噪声 噪声与干扰噪声与干扰 v通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰 动称为噪声。 v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。 v宽带的或持续的无用信号 v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。 外界干扰与电子线路中常见噪声 v瞬时的或窄带的无用信号 v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 外界干扰与电子线路中常见噪声 实验室中的

2、典型干扰环境实验室中的典型干扰环境 v50Hz 电源布线，仪器内部功率单元等 v50Hz的谐波 可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛 刺 v电气触点的通/断 触点的通/断总伴随着电火花或电弧 v高频信号 开关电源 大功率高频振荡器 外界干扰与电子线路中常见噪声 -8-6-4-20+2+4+6+8-8-6-4-2+2+4+6+8 0 1 10 +2 +3 +4 +5 +6 +7 频率频率 单位带宽的相对功率单位带宽的相对功率 实验室环境的噪声与干扰分布实验室环境的噪声与干扰分布 市电市电 50Hz 150Hz 100Hz 200Hz 典型宽带典型宽带 干扰范围干扰范围 调幅调幅 广播广播

3、调频调频 广播广播 外界干扰与电子线路中常见噪声 电子线路中的常见噪声电子线路中的常见噪声 外界干扰与电子线路中常见噪声 一、热噪声一、热噪声 v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。 v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。 v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。 外界干扰与电子线路中常见噪声 其中，k=1.3810-23 J/K(焦耳绝对温度)， 为玻耳兹 曼常数；T

4、为绝对温度；f 为系统的带宽；R是导体 的电阻。 例如，若R1k， f =5MHz，T290K， 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 4 2 VfkTRUT 94 12 63232 1080 )105(10290)1038. 1 (4 T U 外界干扰与电子线路中常见噪声 1.1.热噪声公式推导热噪声公式推导 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

5、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。 fkTP n 外界干扰与电子线路中常见噪声 Z0 L RR (a) Z0 L (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

6、，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： fLmLm2 2 或 fmLfLm22 或 外界干扰与电子线路中常见噪声 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=2 Pn t2 Pn L/ = 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fkTP n 说明说明 根据量子理论，与每个振荡模相联系的平均能量，可按普朗根据量子理论，与

7、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：克定律加以修正，因而得到： 其中，其中，f 是振荡频率，是振荡频率，h是普朗克常数对于从是普朗克常数对于从0到到1013Hz的频率的频率 范围，都有经典数值范围，都有经典数值 W kT 。 1 kT fh e hf W 外界干扰与电子线路中常见噪声 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，

8、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： 推导推导2 2： 2 2 1 T CUW C kT UCUkT TT 22 2 1 2 1 或 RC UT 外界干扰与电子线路中常见噪声 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： fR C 4 1 CR df CRfZ dffjZ f r r 4 1 1)2( 1 )0( )2( 0 2 0 1 1 1 )( CRj R Cj R Cj R jZ 则 于是， fkTR C kT U T 4 2 外界干扰与电子线路中常见噪声 2. 2. 高频热噪声

9、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。 外界干扰与电子线路中常见噪声 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

10、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. 3. 热噪声等效电路热噪声等效电路 fkTGIT 4 2 以及， R UT2 G IT2 fkTRUfkT R U R RR U T TT 4 4)( 2 2 2 或 外界干扰与电子线路中常见噪声 则在两个电阻串联的情况下可写出下式： 4. 4. 热噪声的计算热噪声的计算 21 21 4 RR RR fkTU T 22 2 2 1 2 TnTTT UUUU 由于噪声的性质

11、，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： ）（ 21 2 2 2 1 4RRfkTUUU TTT 外界干扰与电子线路中常见噪声 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

12、二定律，这是 不可能发生的。 5. 5. 热噪声的热平衡校验热噪声的热平衡校验 2 21 21 2 2 21 2 1 1 4 ）（）（RR RRfkT R RR U P T n R1 U2T1 R2 U2T2 R1 =R2的传输功率为： 同理，R2 =R1的传输功率为： 2 21 21 2 4 ）（RR RRfkT P n 可见，可见，P Pn1 n1 =P =Pn2 n2 , ,即满足热平衡状态。即满足热平衡状态。 外界干扰与电子线路中常见噪声 6.电感器和电容器产生噪声吗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。感抗和容抗不产生任何热噪声，因为电抗不耗散功

13、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。 外界干扰与电子线路中常见噪声 二、二、 电阻的过剩噪声电阻的过剩噪声1/f 噪声噪声 电阻除了有热噪声外，还会产生一些

14、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： f RKI f U fS DT e 222 ）（ 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。电流通过时，电阻中就仅有热噪声，而

15、不会有过剩噪声。 外界干扰与电子线路中常见噪声 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 f RKI kTR f U fS DT e 222 4 ）（ 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。 外界干扰与电子线路中常见噪声 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

16、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： 式中式中Ufe为十倍频内噪声电压；为十倍频内噪声电压；VDCIDR。通常，由于。通常，由于Ufe很小，故电阻的很小，故电阻的 NI值为值为0dB以下。采以下。采NI作为过剩噪声的衡量指标是因为作为过剩噪声的衡量指标是因为NI仅与仅与K有关，而有关，而 与与f，IDR无关。无关。 DC fe V U NIlg20 外界干扰与电子线路中常见噪声 表明NI直接反映了低频噪声的K值，因

17、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： 1010 22 1044. 0K , 10 NINI DCfe VU所以，代入上式， 222 10 22 10 2 303. 2303. 2)( DCD f f D f f efe KVRKIdf f RKI dffSU 而 外界干扰与电子线路中常见噪声 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

18、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): lll h f f K f f K f f KN f 111 1 lnln 1 所以1/f噪声的

19、谱密度： f K fSe 1 ）（ 外界干扰与电子线路中常见噪声 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0.11赫兹的十倍频程 就比110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

20、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。 关于受关于受1/f噪声限制的直流放大器，需要牢记的一点是，噪声限制的直流放大器，需要牢记的一点是，增增 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。量精度随测量时间的平方根而提高。 外界干扰与电子线路中常见噪声 散粒噪声的平均功率：散粒噪声的平均功率： feII s 0 2

21、2 三、散粒噪声三、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，其中，e为电子的电荷，为电子的电荷，I0为平均电流，为平均电流， f为带宽。为带宽。 外界干扰与电子线路中常见噪声 散粒噪声公式的推导：散粒噪声公式的推导： 在电子管、双极晶体管和半导体二极管等器件中流动的电流， 是由各个载流子的流动产生的电流总和而单个电流脉冲总 量（即电流与时间的积）为电子电荷。原因是载流子通过器件 中的势垒势垒是独立的随机事件。对于电子管，电流表现为阴极发 射的电子飞越到阳极上，但此过程是随机的，它取决于电极表 面的状态、形状以及电位差，因此渡越电子的总数目起伏不定 的（但平均值一定）。若将它放大至扬声器，会听到像铅弹打 到水泥墙上的声音此为该噪声名称的由来。对于晶体管， 当发射结处于正向偏置时，就有载流子越过发射结势垒而注入 基区。虽然单位时间内注入基区的载流子平均数是一定的，但 是，某一个载