电路噪声和抗干扰措施.

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电子系统的噪声和干扰
一、研究噪声和干扰的必要性
噪声与干扰没有本质区别，习惯上从器件外部窜扰进来的,
称为外部噪声（干扰），从器件内部产生的, 称为内部噪声。 PCB调试时频繁遇到噪声称为：
器件噪声、辐射噪声和传导噪声。 干扰源： 自然干扰：天电干扰、宇宙干扰、大地干扰 工业干扰：广播电视、无线基站、工业设备
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闪烁噪声（1/f 噪声） 由于半导体晶体表面不断产生或整合载流子而产 生的噪声。闪烁噪声大多集中在低频范围，对电阻器 及半导体会造成干扰，而双极芯片所受的干扰比场效 应晶体管大。其功率频谱密度随频率降低而增大。在
高频工作时, 可以忽略闪烁噪声。
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散粒噪声（Shot Noise）
对于双极型晶体管，散粒噪声是主要噪声源。
它是由单位时间内通过PN结载流子数目的随机起
伏而造成的。这种噪声具有宽带的特性。 散粒噪声的大小与晶体管的静态工作点电流有关， 其功率谱密度为
SI 2qIO
式中 IO为流过PN结的电流， q 为电子电荷量。 由于晶体三极管的发射结正偏，所以散粒噪声主要 决定于发射极工作电流 I e ，其噪声电流的均方值为
电子系统的噪声和干扰
一、研究噪声和干扰的必要性
设计人员经常遇到的情况：硬件部分设计出来以 后，却发现电路中的噪声太大，不得不进行重新设计
和布线。
电子电路的噪声问题更多地依赖于经验去解决, 而不是根据规范的方法和严格的科学计算。但是， 避免噪声还是存在一定的设计准则去遵循，并在电
路设计开始时，就应该认真考虑与噪声相关的问题。
i 2qI e B
2 en
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散粒噪声（Shot Noise）
对于场效应管来说： 散粒噪声是由栅极内的电荷不规则起伏所引起的噪
声。对结型场效应管来说，则由通过PN结的漏电流引
起的噪声电流均方值为
i 2qI G B
2 ng
式中 I G为栅极漏泄电流。
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爆米花噪声(popcorn frequency)
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当实际电路中包含多个电阻时。每一个电阻都将引
入一个噪声源。一般若有多个电阻并联时，总噪声电流
等于各个电导所产生的噪声电流的均方值相加，若有多 个电阻串联时，总噪声电压等于各个电阻所产生的噪声 电压的均方值相加。
例：电阻热噪声的计算
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结论：电阻越大、温度越高，电阻的热噪声越大。
（EMI）
现场干扰：个人手机、笔记本、测试仪等
电源、器件之间、PCB走线之间的串扰等
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二、电子电路PCB设计时遇到的噪声种类
三种噪声源：器件噪声、辐射噪声和传导噪声 （一）器件噪声
电阻热噪声（Thermal Noise）
电感噪声 晶体管噪声 场效应管噪声 闪烁噪声（1/f 噪声） 散粒噪声（Shot Noise） 爆米花噪声(popcorn frequency) 放大器噪声等
2 n 4kTRB
2 in 4kTGB
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由于电阻受热影响，其起伏噪声电压的变化是不规则的, 其 瞬时振幅和瞬时相位是随机的, 所以无法计算其瞬时值。只能统 计其平均值，一般用电压均方根值表示。为便于运算，把电阻 R看作一个噪声电压源（或电流源）和一个理想无噪声的电阻 串联（或并联），如图所示。
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起伏电流流经电阻 R时，电阻两端就会产生噪声电压n 和噪声功率。常以 SV ( f )表示噪声的电压功率谱密度， SI ( f ) 表示噪声的电流功率谱密度。
理论和实践证明，当温度为T（K）时，阻值为R的电阻所
产生的噪声电压功率谱密度和噪声电流功率谱密度分别为
1 S I ( f ) 4kT 4kTG R
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（1）电阻热噪声（Thermal Noise）
电阻中的带电微粒（自由电子）在一定温度下受到热激发 后，在导体内部作无规则的运动（热骚动）而相互碰撞，两次
碰撞之间行进时，就产生一持续时间很短的脉冲电流。许多这
样的随机热骚动的电子所产生的这种脉冲电流的组合，就在电 阻内部形成了无规律的电流。在一足够长的时间内，其电流平 均值等于零，而瞬时值就在平均值的上下变动，称为起伏电流。 温度越高, 运动越剧烈。只有当温度下降到绝对零度时, 运动才 会停止。自由电子这种热运动在导体内形成非常微弱的电流, 起伏噪声电流流过电阻本身就会在其两端产生起伏噪声电压。
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对于LC并联谐振电路，所产生的噪声电压均方值为
2 n 4kTRe B
式中，Re 为谐振电路的谐振电阻。 对图8.2.5(a)所示的电路来说，损耗电阻 声电压均方值为 2 4kTrB nr
r 所产生的噪
在回路谐振时，折算到
ab两端的电压均方值为
L Q 4kTrB r 2 L2 4kT B 4kTRe B r
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电子电路的噪声和干扰
一、研究噪声和干扰的必要性
电子系统或电子设备性能很大程度上与噪声和 干扰有关，电子电路处理电信号的灵敏度与噪声有 关。噪声对有用信号的处理产生了干扰 , 特别是当 有用信号较弱时 , 噪声的影响就更为突出 , 严重时 会使信号淹没在噪声之中而无法处理。
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在频带宽度B内产生的热噪声电压均方值和电流的均方 值分别为
2 n 4kTRB
2 in 4kTGB
以上各式中， k 为玻耳兹曼常数（Soltzmann Constant）
T 为热力学温度，单位为K 。 k =1.38×1023 J K ；
因此，噪声电压或电流的有效值为
2 n 2 nr 2 2
得到如图8.2.5(b)所示的等效电路。
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注意：
1、热噪声电压虽很小，但被多级放大后，特别是有用 信号很微弱的情况下，会淹没在噪声中而无法被处理。 2、理想电抗元件是不会产生噪声的, 但实际电抗元件 是有损耗电阻的, 这些损耗电阻会产生噪声。对于 实际电感的损耗电阻一般不能忽略, 而对于实际电 容的损耗电阻一般可以忽略。