第二章电磁干扰源---电磁噪声

以主要静电感应干扰源之一--人体为例，上图中绝缘体I可以 是人的衣服、鞋、等物体，也可 以是人体的皮肤。人体的等效电 容和电阻及其静电放电的等效电 路如下图所示。
人体的等效电容和电阻
人体的静电放电模型
其中Cb为等效人体电容，它的大 小取决于人体与周围环境条件，其 值在50~250pF之间，Rb为等效人体 电阻，它与人体产生静电放电的部 位有关，其值在500Ω~10kΩ之间， 等效电感用以等效放电电流的上升 时间，通常取0.1μH以下，Ub用以等 效人体因静电感应积累的等效电荷 效应，其值在0~20kV之间。
很显然，这种电解效应主要 造成金属腐蚀和损害，特别在 大功率电力电子装置中，由于 广泛采用流过大电流的接线排。 设备的工作环境通常比较恶劣。 上述电解效应是不容忽视的。
（3）摩擦及导线移动造成的噪声
通常，导线中的金属芯线与其绝 缘外套不可能保持固定的紧密接触， 以致当弯曲电缆线时，两者相互摩 擦会产生感应电荷，造成摩擦噪声， 它的表现形式也是随机的。减小这 种噪声的办法，是避免电缆过度的 弯曲或采用特殊的化学处理，使绝 缘介质上产生电荷的可能性大大减 小。
这些金属可分成五组。若必须 用不同金属相互接触时，最好采 用同一组中的两种金属，因为两 种不同金属在表中的位置离开得 越远，原电池产生的电压越高， 原电池效应的影响也越严重。
原电池效应除了会产生噪声电 压以外，它还会带来金属腐蚀的 问题。因为原电池会导致正离子 从一种金属的阳极迁移到另一种 金属的阴极。从而逐渐造成阳极 金属板的腐蚀和损坏。阳极腐蚀 的速度取决于环境湿度和两电极 金属在原电池序列表中所处位置 的差距。两者位置离得越远，离 子迁移率越大，腐蚀速度也越快
自然界中一些材料容易吸附 电子，而另一些则易于失去电子。 下表按照材料电子亲和力的次序 列出了一些典型材料的摩擦序列 表。表中处于顶部的材料易于失 去电子，因而摩擦后生成正电， 底部材料则易于获得电子而带负 电。
两种材料在表中所处的位置相 差越远，并不代表摩擦后生成的 静电荷越多，因为摩擦后生成的 静电荷的多少，不仅取决与它们 在表中的位置，而且还与材料表 面的光洁度、接触的压力和摩擦 后两者分离的速度密切有关。
电阻器上产生的开路噪 声电压(有效值)为：
其中：
K--玻尔兹曼常数，(1.38×10 T--绝对温度(K) B--被分析系统(电路)的等效躁声带
-23
Leabharlann Baidu
J/K)
宽或系统等效电压增益平方带宽（Hz) R--电阻器的电阻（Ω）
电阻热噪声的等效电路
在电路分析中，电阻热噪声 可用电压源或电流源模型来描述， 等效电路如下：
第2章 电磁干扰源---电磁噪声
电磁干扰主要涉及到三个环节: 第一是电磁噪声源； 第二是噪声的耦合途径； 第三是电磁噪声的接收。
本章主要介绍电磁干扰的第一 个环节：电磁噪声。 将按以下三个部分讲解。



（1）电磁干扰源的分类 （2）自然干扰源 （3）人为干扰源
第一节 电磁干扰源的一般分类
广义地说，电磁场存在于宇宙中 (包括太空、大气层、地球表面及地 下)。人类生活在某种特定的电磁环 境中，这就是说，任何地方均存在着 电磁干扰。问题是我们必须清醒地找 出哪些影响最大，威胁最严重的电磁 干扰源，并对它们进行特定的防 护．使之不致影响设备、系统的正常 运行。
3、放电噪声
这类干扰源的共同特征是它 们起源于放电（Discharging） 过程。
在放电过程中，属于持续放 电的有电晕放电(辉光放电)和弧 光放电。属于瞬态放电的有静电 放电和火花放电，伴随着上述这 些放电过程产生的放电噪声，通 常均会产生电磁干扰，有时乃至 对电路、装置造成危害。所以， 放电噪声是EMC设计必须面对的 重要干扰源。
虽然雷击的直接破坏范围只有 几平方米到几十平方米,但是它 产生的电磁干扰,却能传播到很 远的地方。
典型的严重雷击电流波形图
雷电电辐射干扰示意图
太阳异常电磁辐射噪声是太阳 黑子发射出的噪声和太阳黑子增 加或活动激烈时产生的磁暴。它 与太阳黑子的数量和活动激烈程 度密切相关，其干扰信号的频谱 通常在数十兆赫兹范围。
第二节 自然电磁干扰
所谓自然电磁干扰源，是指由 于大自然现象所造成的各种电磁 噪声。它们主要包括大气层噪声、 雷电、太阳异常电磁辐射及来自 宇宙的电磁辐射噪声等。
当大气层中发生电荷分 离或积累时，都会随之产 生充电、放电现象，而导 致低压、台风、飞雪、火 山喷发、雷电等。
雷击属于最常见的，也是最严 重的大气层电磁干扰源，它的闪 击电流很大，最大可达兆安培量 级，电流的上升时间为微秒级， 持续时间可达几个微秒乃至几秒， 它所辐射的电磁场频率范围大致 为10Hz~300kHz，主频在数千赫 兹。
2、电化学过程噪声
在弱信号电路中，还有些由于 物理或化学原因造成的干扰源也 是必须考虑的，主要有： （1）原电池噪声 （2）电解噪声 （3）摩擦及导线移动造成的噪声
（1）原电池噪声
将两块不同的金属相互接触， 并且其间隙中存在着潮气和水的 话，则它们会构成一个化学湿电 池系统。该电池的端电压大小取 决于两块金属材料及它们在原电 池序列表中的位置。
（3）辉光放电（Glow Discharge）
持续的辉光放电物理现象已 广泛地应用于离子管、等离子 反应器和低压气体放电灯中。 除此以外，在人们所处的电磁 环境中，还存在一些不控的辉 光放电干扰源。
虽然电阻热噪声的有效值噪声 电压具有明确的定义，但是由于 它是随机的白噪声信号，它的瞬 时值具有高斯正态分布的特征。
（2）散粒噪声(Shot Noise)
散粒噪声是电流流过势垒而 产生的噪声，它主要存在于电 子管和半导体器件中。
在电子管中，热阴极电子发射 存在着随机性，在半导体器件 中，载流子越过势垒的扩散电 流和漂移电流以及在长基区中 电子空穴对的产生和复合也是 随机的，这些载流子的随机性 造成了电流的随机性。
为此，人们从不同的侧重点 出发，常将电磁干扰源作如下的 分类：
按其干扰功能可分为两大类： 有意干扰和无意干扰； 按其来源可分为两大类： 自然干扰源和人为干扰源； 按其干扰领域、时域特征可分为： 连续干扰和瞬态干扰； 按其耦合方式分为： 传导干扰和辐射干扰。
有意干扰是当前电子战的重要手段。 为使敌方的通信、广播、指挥及控制系 统造成错误判断、失效乃至损坏．故意 在对方所使用的通讯频带内发射相应的 电磁干扰信号。这种有明确目的和对象 的有意干扰和反干扰（通常称为电子对 抗）问题不属于本课讨论的范围。 人们常说的电磁干扰和电磁兼容主要 是指无意电磁干扰和在实际工作现场的 电磁兼容。
（2）电晕放电（CoronaDischarge）
电晕放电噪声主要来自交流高 压输电线，它属于一种持续的放 电干扰源。它的放电本质是输电 线附近的空气产生电离，发生辉 光(电晕)放电。
伴随着放电过程．产生电磁波 辐射干扰。实验数据表明，在输 电线垂直方向上电晕噪声强度的 衰减与距离的平方成反比，而在 15kHz~100MHz的频率范围内，其 衰减则和频率成反比；电晕放电 噪声，主要对电力线载波电话、 低频航空无线电以及调幅广播等 产生干扰，对于电视和调频广播 则影响不大。
最不理想但又最常见到的情 况是：人们常常采用铝和铜这样 的金属组合，结果是铝将被腐蚀 掉。如果在铜板上再涂上一层 铅—锌焊料，由于铝和铅—锌焊 料在原电池表中位置比较接近， 由原电池效应造成的腐蚀将大大 缓解。
原电池序列表
（2）电解噪声
两块相同的金属相互接触，当 接触面间存在电解液(如带弱酸的 水汽等)，并且流过直流电流时， 将产生电解反应。结果在产生电 解噪声的同时，也会造成金属的 腐蚀，腐蚀率则取决于流过电流 的大小和电解液的导电率。
在电阻器中又称为剩余噪声 （Excess Noise）；在电子管中 又称为闪烁噪声（Flicker Noise）；在半导体器件中，由 于它独特的频率特性，又称为 1/f噪声或低频噪声，因为当频 率很低时，该噪声具有下述的频 率特性：
其中：
f---频率（Hz） IDC---通过器件直流电流的平均值（A） k---与材料及电极几何形状有关的常数 B---频率f为中心的频率（Hz）
在工业部门常用的人体静电放电 模型中，等效存贮能量视具体情况 在几毫焦至几十毫焦之间。 显然，如果人体接触一块电路板 或电子装置的某一部分时，就可能 造成静电放电。Ub＜3500V时，静电 放电电流可能不一定为人们感觉到， 但一些现代场控器件，甚至因几百 伏的静电放电就可能被损坏。
常见半导体器件的静电放电 易损电压参考值
宇宙辐射干扰源源于银河系及 超远星系的高能粒子运动和银河 系恒星上的爆炸现象引起的电磁 噪声。
基于上述这些自然电磁干扰源 的特点，后两种干扰主要影响与 宇宙、通讯、信息图象信号处理 等有关的军用电子设备。对工业、 民用大部分电气及电力电子设备 而言，我们需要着重考虑的自然 干扰源应当是雷电干扰。
很明显，它在低频电路中是主 要的噪声源。
（4）爆米花噪声(Popcorn Noise)
爆米花噪声又称爆裂噪声，主 要存在于半导体二极管和集成电 路中。它的特点是在热噪声背景 上叠加不规则的脉冲噪声，如果 输出扬声器，会产生爆裂声。 这种噪声主要是由于半导体的 PN结中的金属杂质造成的缺陷。
主要特征是：干扰脉冲的脉宽 在微秒到秒的范围中变化，并呈 现非周期性，其变化率为每秒几 百个脉冲到每分钟一个脉冲；它 的干扰电压幅值是热噪声的2100倍；它的功率密度具有1/fn 的频率特性（通常等于2）。它 对高阻抗电路（如运算放大器的 输入级）具有特别重要的影响。
此外，当一根导线在磁场中移动 时，因切割磁力线会在导线两端产 生感应电压、通常，电源线和大功 率电力电子装置功率回路导线中常 流过较大的电流，所以它的周围空 间里存在着相当强的杂散磁场。如 果低电平的信号线移动的时候，就 必然会因之产生感应干扰信号，这 种干扰在存在着强烈机械振动的装 置上表现得特别突出。
（1）静电放电（Electrostatic Discharge—ESD)
静电早为人们所知，并被广泛 地应用于静电复印、静电除尘、 静电喷涂等许多场合。可是未经 控制的静电放电，自60年代以来， 已经日益成为一个对电子工业造 成危害的重要干扰源。

两种材料互相摩擦和紧随着的 分离会产生静电。这些材料可以 是固体、液体或气体。这种产生 静电的方法称之为摩擦效应。
散粒噪声电流的有效值定义为： 其中：
q--电子电荷（1.6×10-19C） IDC --流过器件的直流电流的平均值(A) B--噪声带宽(Hz)
它的功率密度与频率无关，其 幅度呈高斯正态分布。
（3）接触噪声(Contact Noise)
当两种材料接触时，接触不 良造成的电导率的波动将会造 成这种接触噪声，很显然，它 存在于两块导体相接触的任何 场合。
这些噪声造成的干扰，在处 理微弱信号为主以及以信号变换 为主的通讯、宇航、遥感遥测、 图像信息处理、生物等工程应用 中，具有十分重要的影响。但在 以处理能量变换为主的电力电子 应用中不太重要。
（1）热噪声(Thermal Noise)
电阻热噪声源于电阻器发热 而引起的电子热骚动，它又称 为Johnson噪声。用示波器观察， 它表现为白噪声波形。
第三节 人为干扰源
人为干扰源来源于各种电气设 备，涉及范围十分广泛；可大致 分为五大类： 1、元器件的固有噪声 2、电化学过程噪声 3、放电噪声 4、电磁感应噪声 5、非线性过程噪声
1、元器件的固有噪声
所有的元器件均存在固有噪声。 主要有: （1）热噪声(Thermal Noise) （2）散粒噪声(Shot Noise) （3）接触噪声(Contact Noise) （4）爆米花噪声(Popcorn Noise)
典型的静电电压
上表的数据表明，在一块绝缘体 上建立的静电电压有时可高达几千 至几万伏。因为它上面的电荷不能 自由移动，所以不可能引起静电放 电而直接带来什么问题。可是，真 正的危险在于该绝缘体的高电位会 在附近的导体(金属、碳棒、人体等) 上产生感应电荷，而导致静电放电。 上述静电感应的过程示下图。