第二章低噪声前置放大技术

1、微弱信号检测与应用讲义微弱信号检测与应用讲义 孙士平孙士平 2012.12第第3章章 周期性微弱信号周期性微弱信号检测方法检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 教学目的教学目的 1、了解电子元器件噪声的产生机理；、了解电子元器件噪声的产生机理； 2、了解低噪声前置放大器的设计方法；、了解低噪声前置放大器的设计方法； 3、了解系统的屏蔽接地技术；、了解系统的屏蔽接地技术； 4、理解与噪声相关的几个基本概念；、理解与噪声相关的几个基本概念； 5、熟练掌握放大器的等效噪声模型。、熟练掌握放大器的等效噪声模型。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法引例引

2、例2： 采用交流平衡电桥法，测量一个微小阻抗的变化，并用导线将两路信号接入前置放大器，因为阻抗变化很小，形成的电压变化也很小，理论计算只有几百个，采用了多级放大电路，如图2-1所示。 图2-1 所加电桥激励信号如图2-2所示，理论推到应该输出一个很干净的正弦信号，结果放大输出信号如图2-3所示，信号怎么“长毛”了？这是什么原因呢？电桥两端短路扫频输出结果出现了如图2-4所示的输出波形，这又是什么回事呢？第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.1电子元器件的噪声电子元器件的噪声 1、电子线路内部噪声是由电子元器件产生的噪声按照一定的规律叠加的结果； 2、要设计或正确使用低噪声

3、放大器就必须对电子元器件的噪声有所了解； 3、正确地选择，筛选，使用元件对于设计制造低噪声放大器是十分重要的环节。 4、定性地了解电阻、电容、变压器、晶体管、场效应管等电子元器件的噪声性能。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.1.1电阻原件的噪声电阻原件的噪声 电阻具有热噪声和过剩噪声。 热噪声：对于一切电阻都有一个基本的噪声机理，由电荷载流子的运动引起的热噪声。这一噪声电压与电阻的温度、阻值和测量仪器的带宽有关，由乃奎斯特公式表示电阻的热噪声电压为： 式（2-1）中R为电阻值或阻抗的实部，为测量仪器的噪声带宽。 热噪声是电阻的最低噪声，不论是碳质电阻，碳膜电阻，金属膜

4、电阻，线绕电阻都具有相同的热噪声。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 过剩噪声（电流噪声）： 电阻中流过直流电流时，往往还产生过剩噪声，过剩噪声是在电阻的基本噪声之外多余的噪声。有时也称电流噪声。 过剩噪声功率与 成正比。过剩噪声电压与流过电阻的直流电流大小成正比。电阻中的过剩噪声电压VNex的经验公式是： （2-2） 式（2-2）中k为常数，与电阻材料和制作方法有关。IDC为流过电阻的直流电流。引入直流电压 上式可以改写成： （2-3） 式（2-3）表明电阻的过剩噪声和加在电阻上的直流电压有关，与电阻的阻值无关。f/1RIVDCDCfkVVDCNex22fRkIVDC

5、Nex222第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法从低噪声运用的角度考虑建议使从低噪声运用的角度考虑建议使用电阻时着重考虑如下几个方面：用电阻时着重考虑如下几个方面： 1）采用金属膜电阻。 2）使用大瓦数额定功率的电阻。 3）采用刻纹的金属膜电阻。 4）在电路设计时考虑无噪声偏置（即偏置电阻两端不加直流电压）。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 在微弱信号检测过程中，电阻的电路物理模型一般是将它等效为电阻的噪声电压源模型，如图2-5（a）所示，一个噪声电压源和一个无噪声理想电阻的串联形式；或者将它等效为电阻的噪声电流源模型，如图2-5（b）所示，一个噪声

6、电流源和一个无噪声理想电阻的并联形式来表示。 图2-5考虑电阻热噪声的电阻等效电路模型（a）电阻的噪声电压源等效模型；（b）电阻的噪声电流源等效模型第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 例2-1 试证明，环境温度相同的两个电阻和串联所产生的等效热噪声电压为： (2-6) 证明：如图2-6（a）所示为两个电阻串联的噪声模型。图2-6两个电阻串联的噪声模型（a）两电阻串联噪声电路；（b）两电阻串联的等效噪声电路)(421RRKTBVet串第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法解：解：第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.1.2电容器的噪声

7、电容器的噪声 电容器的噪声是很小的。因为它不是一个热噪声源。实际的电容器有损耗，电容器的损耗会不会带来很大的热噪声？ 有耗电容器的等效电路如图2-7所示。图2-7有耗电容器的噪声等效电路（a）有耗电容器；（b）噪声等效电路第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法电容噪声的分析电容噪声的分析第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法电阻电容并联电路的热噪声情况电阻电容并联电路的热噪声情况 如图2-8所示的阻容并联电路。图2-8电阻电容并联电路的热噪声（a）并联电阻电容电路；（b）并联电路的热噪声原理图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法电阻电容并

8、联电路的热噪声分析电阻电容并联电路的热噪声分析第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.1.3变压器的噪声变压器的噪声 1、变压器能实现信号的偶和、传输、阻抗变换等功能。除了这些功能外在实际使用中还必须要考虑变压器的共模抑制，磁屏蔽，初级电感，频率响应和麦克风效应等。 2、变压器的噪声并不是只有自身电阻的热噪声。更为主要的是外界的干扰。这些干扰来自磁场干扰，地回路干扰，共模信号的干扰。由于在微弱信号检测中输入变压器的输入信号可能小到毫微伏数量级或更小。因此，必须很小心地消除这些干扰和减小热噪声。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法消除变压器干扰和减小热噪声

9、方法消除变压器干扰和减小热噪声方法 1、变压器的磁干扰是由外部磁场在变压器上产生感应电压。 2、共模干扰可以加法拉弟静电屏蔽抑制。 3、输入变压器初级电感量大，电阻小，才能得到较低的频率响应和较小的等效噪声电压。 4、电感量大的变压器在受到冲击或振动时都会产生干扰电压，这时铁芯或导磁率受到调制，就可产生感应电压，有时对变压器讲话都会产生感应电压。最好对变压器在线圈和迭层与屏蔽层之间以及屏蔽层相互之间进行声学隔离。 5、注意消除迭层和屏蔽罩中的剩磁，除了在装配前进行去磁处理外，在拿到变压器之后不要用万用表对线圈进行通断测量，不然会造成无意磁化。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检

10、测方法2.1.4晶体管的噪声晶体管的噪声 晶体管噪声很多，主要有热噪声，低频噪声1/f和散弹噪声。应用混合 型小信号等效电路加上各种噪声，并将噪声折合到输入端，求得晶体管在中频区的等效输入噪声电压和噪声电流如下： （2-17） （2-18） 式中 为其极扩散电阻， 为集电极电流，re为发射极电阻，q为电子电荷，IB为基极电流。 2224eCbbnrqIKTrVBnqII22bbrCI第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法三极管共射放大电路三极管共射放大电路 、 随随 IC 变化的曲线关系变化的曲线关系 nVnI第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法三极管放大

11、电路的等效噪声电路三极管放大电路的等效噪声电路 图中 为三极管的等效输入噪声电压；In为三极管的等效输入噪声电流；VR信号源电阻RS的等效输入噪声电压，且 ；RS为信号源电阻； 为输出总噪声功率，且功率与电压、电流的平方成正比。图2-10三极管放大电路的等效噪声电路nVeSRBKTRV42noP第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法三极管的最佳噪声系数三极管的最佳噪声系数 和和最佳源电阻最佳源电阻 由式1-43可得： （2-19） 式（2-19）为连续函数，且存在极小值最佳噪声系数 ，为了寻求最佳噪声系数，得到最佳源电阻，将式（2-19）对 求导，并令 ，得： （2-20）o

12、ptFsoptRoptFSR0SRFnnsoptIVReSnSnRpRnSnpniPnoBKTRVRIVkVVRIkPkPF4122222222第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 1、由式（2-23）可得，最佳源内阻随着集电极电流的减小成线性关系增加。 2、由式（2-22）表明，提高 可以减小最佳噪声系数。同样减小基极电阻或集电极电流噪声系数也减小。这一结论似乎和上述 讨论时的结论随着集电极电流的减小而增大相矛盾。其实不然，因为最佳噪声系数是在最佳源内阻条件下求得的，考虑到了 与 两者的统一。 3、当源内阻在几千欧到

13、几百千欧，在较大的集电极电流时噪声系数最小，源内阻的下限取决于基极电阻，低噪声晶体管应当具有小的基极扩散电阻和大的 值。0soptRoptFnV0第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 很多微弱信号测量装置中，使用的传感器载止频率较低，通常工作在100Hz以下。这样1/f噪声就成为噪声的主要来源。可以理论求得晶体管的1/f噪声的和In如下： （2-24） （2-25） 式（2-24）中的 为一个新定义的基极电阻 ，最佳源电阻 。 在最佳源内阻 时，最佳噪声系数： （2-26） 或用表示，可以写成： （2-27）bbbrr21soptRfrIqfVbrBLn222fIqfIrB

14、Ln22frIKTqfFoptbrBL41frIKTqfFoptbeL041第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法半导体三极管噪声系数特点：半导体三极管噪声系数特点： （1）半导体三极管共射极、共集极、共基极三种接法的噪声系数是不同的，但其数值彼此相近(差别不大)，因此可认为噪声系数与半导体三极管接法无关。这样在选择电路时，三极管接法可不予考虑。例如，可采用共射极接法提高放大倍数，用以加强信号的驱动能力，克服后级噪声影响；采用共集极接法可以用来提高输入阻抗；采用共基极接法可以增加频带的带宽等等。（2）半导体三极管放大器的

15、噪声系数F是器件工作点、及源电阻的函数，所以必须指出测试条件。当测试条件改变时，其结果也随之改变。（3）噪声因数与工作频率关系如图1-12所示。在低频区主要是低频噪声起作用，一般在几KHz以下；在高频区主要是高频噪声起作用，之间主要是“白噪声”起作用。图2-12三极管噪声因数与工作频率关系图总体而言，低噪声晶体管放大电路设计应选择，工作频率高，输入电阻小，放大倍数大的管子，并采用合适的源电阻和设置合适的静态工作点，才能得到最佳的噪声系数。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法NFf图2-12三极管噪声因数与工作频率关系图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法

16、2.1.5场效应晶体管的噪声场效应晶体管的噪声 1、与双极型晶体管相比，场效应管(FET)具有高输入阻抗和低噪声系数的特点，比较适合用于低噪声前置放大器。 2、场效应管分为两类：结型场效应管(JFET)和金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。 3、场效应管的内部结构和运行机理不同于双极型晶体管，它是通过调制导电沟道的电阻来工作的，内部噪声源也不同于双极型晶体管。 4、场效应管内部噪声主要包括沟道的热噪声，低频噪声 ，栅极的散弹噪声和栅极感应噪声等等。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法场效应管的等效噪声模型场效应管的等效噪声模型 图2-13中，在频率较低时场效应管的噪声

17、电压，噪声电流和噪声系数特别简单。由下式表示： （2-28） （2-29） （2-30） 式中 为漏极电流， 为栅极漏电流， 为跨导。图2-13场效应管放大电路的等效噪声电路222mdNgIV22gNII222441meSdegSgBKTRIKTBIRFdIgImg第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法考虑高频噪声噪声和低频噪声场考虑高频噪声噪声和低频噪声场效应管的效应管的VN，IN的典型曲线的典型曲线 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法场效应管的噪声因素与频率的关场效应管的噪声因素与频率的关系系 图2-15场效应管的噪声因素NF与频率f的关系图第第3章

18、章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法场效应管噪声系数有如下特点：场效应管噪声系数有如下特点： 1、场效应管的噪声特性要优于双极型晶体管，尤其是其等效输入噪声电流要比双极型晶体管低得多。2、场效应管的等效最佳电阻要比所有双极型晶体管大得多，适合于源电阻较大的传感器。3、与双极性晶体管一样，噪声因数与工作频率关系如图1-15所示。在低频区主要是低频噪声起作用，并且低频噪声作用不大，一般在几百几十Hz以下；在高频区主要是高频噪声栅极感应噪声起作用， 之间主要是“白噪声”起作用。1f2f第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法结论：结论： 低噪场效应管放大电路设计适合于源电

19、阻较大的传感器电路，容易得到最佳的噪声系数。微弱信号检测系统的前置放大器一般都选择使用高跨导、高输入电阻、栅源电容小的结型场效应管作为前置放大。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.2 低噪声前置放大技术低噪声前置放大技术 低噪声前置放大器是弱信号检测仪器的第一级，它担负着放大微弱信号的任务。由于信号十分微弱，则要求前置放大器具有低噪声的性能。不然，由于前置放大器本身的噪声将会使原来就被噪声淹没的信号淹没得更深，这就要求前置放大器必须是一个性能优良的低噪声放大器，虽然前置放大器不具有抑制噪声的能力，但是它本身所产生的噪声大小至为重要。当仪器其它部分确定之后，前置放大器的

20、好坏就是决定整机最高灵敏的关键。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.2.1低噪声前置放大器的等效低噪声前置放大器的等效噪声模型噪声模型 图中还包括了信号源 和信号源内阻 。 是当 等于零时放大器存在的噪声等效到输入端的值。 是当 不为零时放大器的附加电流噪声。 SV图2-16含有信号源电阻噪声的放大器等效噪声模型SVSRSRSRNVNI第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法放大器的等效输入噪声功率放大器的等效输入噪声功率 输出总噪声功率 ： 设到达放大器输入阻抗 的信号电压和噪声电压被放大后到输出端的电压增益为A倍，用分压和分流原理可以求出输出总噪声

21、功率 为： （2-31） iZ2NOV2NOV)()()(2222222222ZiRRZIZiRZiVVAVSsiNSSNNo第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法考虑噪声电压与噪声电流相关时考虑噪声电压与噪声电流相关时的放大器等效噪声电路的放大器等效噪声电路 式（2-38）应变为： （2-39）式（2-39）中，等效输入噪声 中加上了一个相关项 ，该式中的C为噪声电压与噪声电流相关性有关的常数，但是这一相关项有关生产厂家很少给出这一参数，所以在以后我们粗略计算噪声

22、时都不考虑这一项，而直接写成式（2-38）所示的形式。 NVNI图2-17考虑噪声电压与噪声电流相关时的放大器等效噪声电路sNNsNNNSIRICVRIVN22222NSINSNNRICV2第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 在微弱信号测量中，有时除了上述放大器本身产生的噪声和源内阻的热噪声外，还有外来的干扰噪声 ，这些噪声可能是外来的干扰噪声或是源内阻的过剩噪声，同样可以一起归到信号源处，这样总的噪声为： （2-40）NdV222222NdNsNRNiVVRIVV第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.2.2低噪声前置放大器的设计低噪声前置放大器的设

23、计 可以这样理解，我们对微弱信号进行最佳的前置放大，是希望前置放大电路能够从传感器获取最大的信号功率。放大器要从传感器获取最大信号功率的条件就是进行阻抗匹配，即满足阻抗实部相等，虚部大小相等符号相反的原则时，放大器能从传感器获取最大的输入功率。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法1、 最佳信号源内阻最佳信号源内阻 图2-18中 为 的热噪声。 2NiVSR图2-18放大器总等效输入噪声与信号源电阻之间的关系2SVSR第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信

24、号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2、为满足信号源、为满足信号源 附加串附加串联电阻对放大器噪声系数的影响联电阻对放大器噪声系数的影响 如果一个信号源内阻 ，是不是可以用一个电阻串联增加信号源内阻到 ，从而得到最佳的噪声系数呢？结论是否定的。因为从表面上看减小了噪声系数。而实际上有下列三点不利影响。 （a）串联电阻R加大了热噪声，恶化了输入信噪比； （b）串联电阻R增加了放大器噪声电流源的噪声贡献； （c）串联电阻R衰减了输入信号。 上述三点不利影响，减小了输出信噪比。出现信噪比减小，而噪声系数减小的矛盾。主要是噪声系数定义的局限性而引起的。我们已经指明，只有在

25、源内阻相同的条件下，比较噪声系数才有意义。 soptiRR soptSRR soptR第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法3、为满足信号源、为满足信号源 附加并附加并联电阻对放大器噪声系数的影响联电阻对放大器噪声系数的影响 若有一个信号源，源内阻为 ，有 怎样使放大器工作在最佳状态？是不是也可以用一个电阻并联减小信号源内阻到 ，从而得到最佳的噪声系数呢？结论也是否定的。并联电阻后同时存在三点不利影响。 （a）并联电阻R引入了新的热噪声，恶化了输入信噪比； （b）并联电阻R的热噪声与放大器的等效噪声源叠加增加了放大器噪声电流源的噪声贡献； （c）并联电阻R对信号电流分流减了输

26、入信号的电流强度。soptiRR SRsoptSRR soptR第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法4、加入电压并联、电压串联负、加入电压并联、电压串联负反馈放大器对放大器性能的影响反馈放大器对放大器性能的影响 1、放大器的附加反馈支路不会改变放大器内部固有噪声源的任何指标，它只会影响放大器的外部表现。反馈改变了放大器的增益，但是对于有用信号、信号源噪声和放大器等效输入噪声的增益都改变了同样的量值。 2、反馈支路的电阻分量必然会产生热噪声，而且输入噪声电流流经反馈电阻还会在其两端产生噪声电压，所以附加反馈支路只会使放大器的噪声系数或多或少地变坏。 第第3章章 周期性微弱信号

27、检测方法周期性微弱信号检测方法（a）电压并联负反馈噪声电路图 (b) 等效噪声电路图图2-21电压并联负反馈放大器第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 由上述推到可得，电压并联负反馈的引入，对放大器的等效噪声电压没有影响，但使得等效输入电流噪声增加了一项，增加的大小取决于反馈电阻的热噪声。而且反馈电阻 越大，其影响越小。 由噪声系数的定义可得加电压并联负反馈后的噪声系数为： (2-60) fRfSfSSSNNSNIRRFRRBkTRRIVkTBRVF4142222/总第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测

28、方法结论：结论： 由式(2-59)可得，加电压并联负反馈后的噪声系数比没有加反馈的噪声系数增加了 ， 越大，噪声系数增加的越少。 同样也可以证明，加电流串联负反馈后的噪声系数也比不加反馈增加了，并且反馈电阻越大，增加的噪声系数也越大。fSRRfR第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法5、要达到最佳噪声匹配的设计、要达到最佳噪声匹配的设计处理方法处理方法 （a）如果选用晶体管作为前置放大器，可）如果选用晶体管作为前置放大器，可以通过调整静态工作点，达到最佳噪声系以通过调整静态工作点，达到最佳噪声系数。数。 KHzf1CI图2-22晶体管2N4250在时的噪声因素与的关系曲线第第

29、3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法（b）采用有源器件的并联方法。图2-24 多个放大器并联原理图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法图2-25 多个放大器并联后的等效原理图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法（c）用变压器提高源内阻，使放大器工作在最佳噪声情况下图2-26输入变压器进行噪声匹配的电路原理图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法图2-27输入变压器进行噪声匹配的等效电路图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法结论：结论： 总之为了达

30、到最佳的噪声匹配，满足最佳总之为了达到最佳的噪声匹配，满足最佳的噪声系数设计，使的噪声系数设计，使Rs=Rso，不能采用，不能采用给信号源串联或并联电阻的方法，也不能给信号源串联或并联电阻的方法，也不能采用给放大电路增加反馈回路的方法，只采用给放大电路增加反馈回路的方法，只能采用选择合适的有源器件，合理的调整能采用选择合适的有源器件，合理的调整有源器件的静态工作点，根据电路特性合有源器件的静态工作点，根据电路特性合理的进行有源器件的并联，增设匹配变压理的进行有源器件的并联，增设匹配变压器等方式来达到最佳的噪声匹配。器等方式来达到最佳的噪声匹配。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检

31、测方法2.3微弱信号检测系统屏蔽与接微弱信号检测系统屏蔽与接地技术地技术 1、在任何处理低电平的系统中，采用适当的屏蔽与接地技术是很重要的。如果屏蔽和接地不当，信号就会被环境噪声和干扰污染，给测量带来误差，有时甚至达到无法测量的地步。 2、当屏蔽良好时，可以大大降低噪声耦合，屏蔽的方式，一般是用金属屏蔽体把元器件、电路、组合件、电缆和传输线等包围起来。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法接地设计有两个基本目的：接地设计有两个基本目的： 1、消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时，而产生的相互耦合和干扰。 2、避免受磁场和地电位差的影响。即不形成地回路，从而减小或消除地回路电流

32、的干扰。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.3.1干扰噪声源干扰噪声源 干扰噪声种类很多，它可能是电噪声，通过电场、磁场、电磁场或直接的电气连接耦合到敏感的检测电路，这些都是电磁兼容性所涉及的领域；干扰噪声的本源也可能是机械性的，例如，通过压电效应，机械振动会导致电噪声；甚至温度的随机波动也可能导致随机的热电势噪声。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法常见的噪声源：常见的噪声源： 1、电力线噪声、电力线噪声 （1）尖峰脉冲）尖峰脉冲 (2)工频电磁场工频电磁场 (3)电网电压波动电网电压波动第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2

33、、电气设备噪声、电气设备噪声 (1)辉光放电 (2)弧光放电 (3)火花放电 (4)电晕放电 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 3、射频噪声 4、地电位差噪声、地电位差噪声（a）地电位差形成的共模噪声（b）地电位差形成的差模噪声图2-28 地电位差形成的噪声第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 5、雷电、雷电 6、天体噪声、天体噪声 7、机械起源的噪声、机械起源的噪声 (1)摩擦电效应摩擦电效应 (2)导体在磁场中的运动 (3)压电效应 (4)颤噪效应(microphony)第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法8、其他噪声源、其他

34、噪声源 (1)电化学噪声 (2)温度变化引起的噪声 (3)触点噪声 需要注意的是，射频噪声的起因不仅可能是电视或无线电广播信号，而且很多脉冲源都有可能发射射频干扰噪声，例如电弧、电火花加工、汽车火花塞等。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.3.2电容性耦合与屏蔽电容性耦合与屏蔽 只要电路或系统的两个部分或两个器件，两根导线之间存在电容就有电容性耦合，这是种普遍存在的耦合方式。 （a）两根导线之间的电容偶合示意图（b）两根导线之间的电容偶合等效电路图2-31 两根导线之间的电容偶合第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周

35、期性微弱信号检测方法带屏蔽层的两根导线之间的电容偶合（a）带屏蔽的两导线间的电容偶合示意图（b）带屏蔽的两导线间电容偶合等效电路图2-31 带屏蔽层的两根导线之间的电容偶合第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 综上所述，要对电容性耦合屏蔽效果好，第一要屏蔽体接地，第二要尽量多地使屏蔽体把被干扰的部分包围起来，把干扰源和被干扰部分的耦合电容减到最小。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.3.3电感性耦合与屏蔽电感性耦合与屏蔽 当电流在一闭合回路中流过通时，将产生与电流成正比电流的磁通，磁通与所流过的电流的比值称电感L。因此，有公式： （2-79） 电感值

36、取决于回路的几何形状及周围介质的导磁率。 若当一个回路里的电流在第二回路中产生磁通时，那么在回路1和2之间，就存在一个互感M。 Li第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法两个回路之间的互感偶合两个回路之间的互感偶合 图2-33两个回路之间的互感偶合第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 由于屏蔽体并没有改变导线1和2之间的几何形状，介质的磁性，所以对导线2不起屏蔽作用。 得到的结论是：一个不接地或一端接地的屏蔽体，对导线的磁感应的干扰电压不起屏蔽作用。 图2-34用一个不接地或者单点接地非磁性屏蔽体把回

37、路2屏蔽第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 怎样才能起到磁屏蔽作用呢?防止回路受磁场影响的最好方法是减小回路的面积。 图2-35 屏蔽、信号源和负载不同的接地方式第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法图图2-35屏蔽体对电路的回路面屏蔽体对电路的回路面积的影响及抑制磁场干扰的效果。积的影响及抑制磁场干扰的效果。 图2-35（a）中信号源VS通过单根导线接到负载RL，用地作返回途径，电流所包围的面积是导线与地之间的面积，面积大，易受外界磁干扰。 图2-35（b）中将导线加了屏蔽，并且屏蔽体两端都接地。 图2-35（c）中屏蔽体只有一端接地，与图2-33所示

38、用一个不接地或者单点接地非磁性屏蔽体把回路2屏蔽一样，没有改变原来电流返回电流的途径。因此，不起防磁感应作用。 图2-35（d）中电阻RL不接地，返回电流全部流经屏蔽体，能很好地减小回路面积，能起防磁感应作用。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 必须指出，小信号测量，特别是微弱信号检测中，不能把屏蔽体作为电路的回路的一部分。由于屏蔽体内流过的干扰或噪声电流，就相当于在信号电路中加进了干扰和噪声，两点地之间的电位差也直接加到了信号中去，这就成了干扰。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法几种接法，对频率为几种接法，对频率为50KHz时时的磁场干扰抑制结果

39、的实验的磁场干扰抑制结果的实验 图2-36 在几种接法下对频率为50KHz的磁场干扰抑制结果实验第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.3.4接地方式接地方式 信号地线接地方式有两种： 1、单点接地与多点接地。一般来讲频率在1MHz以下使用单点接地的方式。 2、当频率高于10MHz时应用多点接地的方式。 3、在1MHz到10MHz之间两种方式并用。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法接地时的几点注意接地时的几点注意 （a）任何导线都具有一定的阻抗，即具有电阻和电抗，当频率较高时不但要考虑导线的电阻，还要考虑电抗。 （b）两个分开的接地点很难做到等电位。

40、 （c）交流电源的地线不能作为信号地线，一段电源地线的两点间会有相当大的交流电压，对于微弱信号测量来讲是一个非常严重的干扰。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法1、单点接地、单点接地 图2-37 单点接地的两种方法第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法串行接地的特点及适用范围：串行接地的特点及适用范围： （1）接线简单，布线方便，在对噪声特性要求不高的电路中使用得很普遍； （2）广泛应用于脉冲数字电路； （3）不合适各部分电路功率差异较大的情况； （4）不合适有的部分是数字电路、有的部分是模拟电路的情况，尤其是微弱信号检测电路的情况。第第3章章 周期性微弱

41、信号检测方法周期性微弱信号检测方法并行单点接地的特点及适用范围：并行单点接地的特点及适用范围： （1）在高频情况下，各部分电路接地线之间会经过分布电容和分布电感的耦合而形成相互干扰。而且频率越高，接地线的感抗越大，接地线之间的分布电容越大，这种相互影响越严重。在很高频率的情况下，接地线的等效阻抗会很大，而且会像天线一样向外发射电磁波噪声。 （2）当频率低于1 MHz时，这种接地方式比较适用； （3）当频率为1 MHz10 MHz时，要注意最长的接地线不要超过波长的120； （4）当频率高于10 MHz时，必须考虑使用多点接板地方法。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法单点分

42、组接地图2-38单点分组接地原理图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法单点分组接地的处理方法单点分组接地的处理方法 把低电平电路分成一组，经一公共地线接地，把高电平电路分成另一组，经一公共地线接地，根据电平高低和电路的多少可以分成几组，但要注意不要把电平相差很大的电路编在一组，这些分组地线再与机壳地线接到同一接地点，这样处理后能解决大部分的接地问题。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2、多点接板地、多点接板地 多点接板地方法用于高频电路，以降低接地阻抗，各部分电路就近连接到板地上。所谓板地，可以是金属板条，也可以是金属机壳，板地本身的高频阻抗要尽量小。

43、 图3-39 多点接板地原理图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法多点接板地的特点及适用范围：多点接板地的特点及适用范围： （1）多点接板地方法用于高频电路，以降低接地阻抗； （2）如果把多点接板地方法用于低频情况，尤其是地电流较大的情况，则因各部分电路的地电流都流经板地，板地阻抗会导致一定程度的相互耦合，所以其低频特性劣于并行单点接地方式。 多点接板地在一般印刷电路板绘图软件中都可以实现，如：Protel软件、Altivm Designer软件中都可以使用大面积覆铜，网络标号接到地上的方法来实现。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法3、混合接地方式、混

44、合接地方式 在并行单点接地的基础上，各部分电路又用小电容就近接到板地 图3-40混合接地方式示意图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法混合接地方式的特点及适用范围：混合接地方式的特点及适用范围： （1）适用于各部分电路的工作频率范围很宽，既有高频分量，又有低频分量的情况； （2）在并行单点接地的基础上，各部分电路又用小电容就近接到板地，所以该方式综合了前两种接地方式的优点； （3）对于低频地电流，小电容阻抗很大，该方式相当于并行单点接地；而对于高频地电流，小电容阻抗很小，该方式相当于多点接板地。第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法2.3.5系统的地回路电

45、流系统的地回路电流 2.3.3节和2.3.4节讨论电感性耦合和接地的目的，是设法减小地回路电流的干扰。地回路电流的所谓变压器效应（磁感应耦合），就是2.3.3节讨论的电感耦合。地回路电流流过一个公共阻抗会产生电路间的耦合。在任何实际系统中都会存在地回路，将有交流工频50Hz感应电流或其它干扰及噪声电流流过地回路，这些回路电流是否给测量带来干扰，决定于具体电路的特殊性。 第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法图2-41 信号源、放大器通过屏蔽电缆屏蔽层两端接地的测试系统原理框图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法图2-42信号源、放大器通过屏蔽电缆屏蔽层两端

46、接地的测试系统等效电路图第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法 由图2-42（a）可以求出共模干扰电压Vcm在前置放大器输入端Zin上所产生的干扰电压Vin为： （2-84） 一般来讲，前置放大器的输入阻抗Zin很大，信号电缆线的外导体及芯导体的电阻RCG，RCS都很小（在m量级）。信号源内阻RS也不很大，这时有ZinRS+RCS+RCG，ZinRS+RCS，在（2-84）式含有Zin式为小项，可以略去，则（2-84）式简化为： （2-85） 由式（2-85）可得图2-41（a）的等效电路为图2-41（b） )1 ()1)(inCSSCGinCGCSSPGSGCGcminZR

47、RRZRRRRRRVVCGPGSGCGcminRRRRVV第第3章章 周期性微弱信号检测方法周期性微弱信号检测方法消除回路电流在前置放大器输入消除回路电流在前置放大器输入端产生的电压端产生的电压 的方法的方法 （1）Vcm=0，使信号源和前置放大器一点接地，并要求屏蔽消除电容性，电感性干扰在回路中产生回路电流。实践表明，这样做很难成功。 （2）RCG=0，要求信号电缆外导体的电阻越小越好，最好为0。方法是把信号和前置放大器的机壳用大的金属条用螺丝紧紧连接起来。尽量减小RCG。但是，实践发现，这样的方法并不能得到满意的结果，因为一块大的金属条两个分离点之间，同样能存在较大的电位差。 （3）RSG=，源对地“浮空”。从而切断了地回路电流。由式（2-85