微弱信號檢測第三講低噪聲電路的抗干擾技術(shù)課件

1、微弱信號檢測理論與應(yīng)用第三講 低噪聲電路的抗干擾技術(shù)3.1 環(huán)境干擾噪聲干擾噪聲源干擾噪聲的頻譜分布3.1.1 干擾噪聲源1、電力線噪聲 (1)尖峰脈沖噪聲 大功率開關(guān)的通斷：電機(jī)、電梯、電焊機(jī)、電爐等。 (2)工頻電磁場 50Hz電磁輻射波，電流越大，輻射越強(qiáng)。 (3)電網(wǎng)電壓波動(dòng) 1015%額定電壓波動(dòng)。2、電氣設(shè)備噪聲 (1)輝光放電 輝光放電即氣體放電。當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)之間的氣體被電離時(shí)，由于離子磁撞而產(chǎn)生輝光放電，肉眼可見到藍(lán)色的輝光。輝光放電所需電壓與接點(diǎn)之間的距離、氣體類型和氣壓有關(guān)。熒光燈、霓紅燈、閘流管以及工業(yè)生產(chǎn)中使用的大型輝光離子氧化爐等，均是利用這一原理制造的輝光放電設(shè)備。這

2、類設(shè)備對測試系統(tǒng)都是干擾源，頻率一般為超高頻。如熒光燈干擾，電壓為幾十到幾千微伏（mV），甚至可達(dá)幾十毫伏（mV）。 (2)弧光發(fā)電 弧光放電即金屬霧放電。最具典型的弧光放電是金屬電焊?；」夥烹姰a(chǎn)生高頻振蕩，以電波形式形成干擾。這種干擾對測試系統(tǒng)危害較大，甚至對具有專門防干擾的設(shè)備，在半徑為50米的范圍內(nèi)，當(dāng)頻率為0.150.5MHz時(shí)，干擾電壓最低仍可達(dá)1000mV；當(dāng)頻率為2.5150MHz時(shí)，也可達(dá)200mV。(3)火花放電 電氣設(shè)備觸點(diǎn)處的繼續(xù)電流將引起火花放電。這種放電出現(xiàn)在觸點(diǎn)通斷的瞬間，如電動(dòng)機(jī)、電刷同鄰近的整流片反復(fù)接通和斷開，形成很寬頻率范圍的火花放電干擾。這種干擾波雖被電機(jī)

3、金屬外殼屏蔽，但還會有部分通過窄小的空隙處和引出線輻射出來。盡管如此，這種干擾仍具有較大的能量。小型電鉆的干擾電平約為2080dB（200MHz以下），可使鄰近電視圖像不停跳動(dòng)。 內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源。這種點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊電流，從而激勵(lì)附屬電路振蕩，并由點(diǎn)火導(dǎo)線輻射出去。這種干擾的頻率分量很高，在201000MHz范圍內(nèi)，干擾半徑可達(dá)50100m的范圍。 (4)電暈噪聲 最常見的電暈放電來自高壓輸出線。 高壓輸電線因絕緣失效會產(chǎn)生間隙脈沖電流，形成電暈放電。在輸電線垂直方向上的電暈干擾，其電平隨頻率升高而衰減。當(dāng)頻率低于1MHz時(shí)，衰減微弱；當(dāng)頻率高于1MHz時(shí)，急劇衰減。因

4、此電暈放電干擾對高頻系統(tǒng)影響不大，而對低頻系統(tǒng)影響較為嚴(yán)重。3、射頻噪聲 無線廣播、電視、雷達(dá)、微波通信、移動(dòng)通信。4、地電位差噪聲 不同接地點(diǎn)存在電位差。5、雷電 高強(qiáng)度的電磁輻射，高強(qiáng)度的電容效應(yīng)。6、天體噪聲 宇宙射線、太陽黑子等。7、機(jī)械起源的噪聲 (1)摩擦電效應(yīng) 摩擦起電 (2)磁場中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的發(fā)電效應(yīng) 法拉第定律 (3)壓電效應(yīng) 受到壓力時(shí)，壓電材料表面電極產(chǎn)生電位差。 (4)顫噪效應(yīng) “電容效應(yīng)”8、其它噪聲源 (1)電化學(xué)噪聲 大氣化學(xué)污染，在印刷板上可能形成電化學(xué)電池，形成噪聲。 (2)觸點(diǎn)噪聲 插座觸點(diǎn)、開關(guān)觸點(diǎn)、焊接不良觸點(diǎn)(3)溫度變化引起的噪聲 當(dāng)電流回路的導(dǎo)線采用

5、不同的金屬，并且在連接處具有不同的溫度時(shí)，則在回路內(nèi)將產(chǎn)生溫差電勢。在下圖中，如一支路R為康銅，另一支路RL為銅，則溫差電勢V0=V01-V02=1100mV，此電勢將疊加到測量電壓Vm上，使得終結(jié)果為Vm+V0。3.1.2 干擾噪聲的頻譜分布各種干擾噪聲的頻譜如下圖所示3.2 干擾耦合途徑傳導(dǎo)耦合公共阻抗耦合電源耦合電場耦合磁場耦合電磁輻射耦合3.2.1 傳導(dǎo)耦合 干擾噪聲通過導(dǎo)線傳導(dǎo)引入到放大電路和檢測設(shè)備。 交流電源線、長信號傳輸線。所有的干擾噪聲都可以通過導(dǎo)線耦合到檢測系統(tǒng)中。 有效的解決方法：遠(yuǎn)離噪聲源，去耦，濾波，隔離等。3.2.2 公共阻抗耦合測試系統(tǒng)往往共用一個(gè)直流電源或不同電

6、源共用一個(gè)地線。因此，當(dāng)各部分電路的電流均流過公共地線時(shí)，會在其上產(chǎn)生電壓降，形成相互 影響的噪聲干擾 信號。這種情況 在數(shù)字電路和模 擬電路共地時(shí)非 常明顯。解決的方法：采 用合理的接地措施。例：下圖， Rcm是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的公共接地線的電阻。理想的情況Rcm0，使三極管的e極電位為0。 實(shí)際系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，并且有較大的波動(dòng)噪音。即使Rcm很小，數(shù)字電路也會在其兩端形成較高電壓，使模擬系統(tǒng)的接地電壓不能為零。在圖(b)中模擬電路是測量前置放大器，假設(shè)數(shù)字系統(tǒng)的入地電流為2A，在0.01 的Rcm上產(chǎn)生20mV電壓，此電壓與測量電壓Vs疊加。若Vs =100mV

7、，那么測量精度將會低于20%。3.2.3 電源耦合 所產(chǎn)生的干擾主要是從電源和電源引線侵入系統(tǒng)。情況如下：當(dāng)系統(tǒng)與其它經(jīng)常變動(dòng)的大負(fù)載共用電源時(shí)，會產(chǎn)生電源噪聲。當(dāng)使用較長的電源引線來進(jìn)行傳輸時(shí)，所產(chǎn)生電壓降及感應(yīng)電勢等也會形成噪聲。系統(tǒng)所需的直流電源，一般均為由電網(wǎng)交流電經(jīng)濾波、穩(wěn)壓后提供，有時(shí)會因某種原因凈化不佳，對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來麻煩，應(yīng)引起重視。交流電源的濾波和屏蔽3.2.4 電場耦合 電場耦合使指單兩個(gè)導(dǎo)體相互靠近時(shí)，一根導(dǎo)體上的電磁能會對另一根導(dǎo)體產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為電場交鏈耦合，耦合程度取決于導(dǎo)體的形狀、尺寸、周圍介質(zhì)及相對位置，即兩導(dǎo)體間的電容，故又稱為容性

8、耦合。 當(dāng)干擾源產(chǎn)生的干擾是以電壓形式出現(xiàn)時(shí)，干擾源與信號電路之間就存在容性(電場)耦合，這時(shí)干擾電壓線電容耦合到信號電路，形成干擾源。對于平行導(dǎo)線，由于分布電容較大，容性耦合較嚴(yán)重。在下圖(a)中，導(dǎo)線1和導(dǎo)線2是兩條平行線，C1和C2分別是各線對地的分布電容，C12是兩線間分布的耦合電容，V1是導(dǎo)線1對地電壓，R是導(dǎo)線2對地電阻。由圖(b)等效電路可得導(dǎo)線1電壓通過耦合導(dǎo)線2上產(chǎn)生的電壓V2為：當(dāng)R1/j(C12+C2)時(shí)，式(1)可簡化為： V2=C12V1/（C12+C2） （2）此時(shí)V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴(yán)重的。當(dāng)R 1/j(C12+C2)時(shí)，式(1)可簡化為： V2=jC1

9、2RV1 (3)由式(1)、(2)、(3)可知，容性耦合干擾隨著耦合電容的增大而增大。3.2.5 磁場耦合 當(dāng)干擾源是以電流形式出現(xiàn)的， 此電流所產(chǎn)生的磁場通過互感耦合對鄰近信號形成干擾。1、電流的磁場 在距離r處的磁感 應(yīng)強(qiáng)度為：2、電磁感應(yīng)耦合 對于磁場中的導(dǎo)體回路，當(dāng)穿過回路的磁通F 發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢v為：而3、互感耦合 下圖為互感耦合示意圖。 兩鄰近導(dǎo)互之間存在分布互感M： M=/I1 其中，I1是流過導(dǎo)線1的電流，是電流I1產(chǎn)生的與導(dǎo)線2交線的磁通。由互感耦合在導(dǎo)線2上形成的互感電壓為： V2=MI1 此電壓在導(dǎo)線上是串聯(lián)的。從式中可知V2與干擾的頻率和互感量成正比。4、

10、磁場耦合的抑制 抑制磁場耦合干擾的好辦法應(yīng)該是屏蔽干擾源。大電機(jī)、電抗器、磁力開關(guān)和大電流載流導(dǎo)線等等都是很強(qiáng)的磁場干擾源。但把它們都用導(dǎo)磁材料屏蔽起來，在工程上是很難做到的。通常是采用一些被動(dòng)的抑制技術(shù)。 當(dāng)回路1對回路2造成磁場耦合干擾時(shí)，其在回路2 上形成的串聯(lián)干擾電壓VN為： VN=jBAcos 式中，是干擾信號的角頻率；B是干擾源回路1形成的磁場鏈接至回路2處的磁通密度；A為回路2感受磁場感應(yīng)的閉合面積，是A和B兩個(gè)矢量的夾角。 可以看出，在干擾源的角頻率不變時(shí)，要想降低干擾電壓VN，首先應(yīng)當(dāng)減小B。對于直線電流磁場來說，B與回路1流過的電流成正比，而與兩導(dǎo)線的距離成反比 。因此，要

11、有效抑制磁場耦合干擾，仍然是遠(yuǎn)離技術(shù)。同時(shí)，也要避免平行走線。3.2.6 電磁輻射耦合 任何的交變電流都會向外輻射電磁波，任何的導(dǎo)體都可以接收電磁波產(chǎn)生噪聲。 頻率為f 的交變電流在長度為L的短直導(dǎo)線流動(dòng)，在相距為r處的電場強(qiáng)度為：3.3 屏蔽技術(shù) 屏蔽是用來控制電場或磁場從空間的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的傳播的技術(shù)，是克服電場耦合干擾、磁場耦合干擾以及電磁輻射干擾的最有效手段。 屏蔽可以應(yīng)用于干擾源，也可以應(yīng)用于檢測電路。3.3.1場傳播與波阻抗 電磁波的波阻抗定義為電場分量與磁場分量的比值： Zw = E / H在距離輻射源較近（r/2，稱為遠(yuǎn)場區(qū)）時(shí)，波波阻抗僅與電場波傳播介質(zhì)有關(guān)，其數(shù)值等

12、于介質(zhì)的特性阻抗，空氣為377。電場和磁場都以1/r的速率衰減，干擾呈現(xiàn)為平面輻射波。3.3.2 屏蔽層的吸收損耗屏蔽層的吸收損耗A是指電磁波穿過屏蔽層時(shí)能量損耗的數(shù)量，也叫穿透損失吸收損耗計(jì)算式為： A=132t（frr）1/2(dB) t = 材料的厚度（電位：m），r = 材料的磁導(dǎo)率，r = 材料的電導(dǎo)率，對于特定的材料，這些都是已知的。f = 被屏蔽電磁波的頻率。3.3.3 屏蔽層的反射損耗 當(dāng)電磁波入射到兩種傳播介質(zhì)的交界處時(shí)，一部分電磁波被反射，另一部分電磁波穿透界面。 當(dāng)電磁波穿過屏蔽層時(shí)，入射電磁波經(jīng)歷兩次反射，形成兩次衰減。屏蔽材料的R反射損耗定義為： R=20lg（ZW/

13、ZS）(dB) 式中，Zw=電磁波的波阻抗， Zs=屏蔽材料的特性阻抗。3.3.4 屏蔽效果屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)有時(shí)候也稱屏蔽損耗、屏蔽衰減、屏蔽效果，是指未加屏蔽時(shí)某一測點(diǎn)的場強(qiáng)(E0、H0)與加屏蔽后同一測點(diǎn)的場強(qiáng)(E1、H1)之比，并以dB為單位。1、屏蔽總效果 屏蔽效能的理論值由R(反射損耗)、A(吸收損耗)、B(校正因子)三項(xiàng)因素決定。 SE=A+R+B （dB） 一個(gè)簡單的屏蔽罩會使所產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場合可能會要求將場強(qiáng)降至為最初的十萬分之一，即SE要等于100dB。2、多重屏蔽。 多重屏蔽的原

14、則：各屏蔽層之間不能連接在一起，其間應(yīng)該隔開空氣或者填充其他介質(zhì)，否則就失去多層屏蔽的作用，各層屏蔽體的材質(zhì)也不應(yīng)該相同。除了要考慮磁導(dǎo)率外，還要考慮飽和電平。 雙重甚至更多層的電磁屏蔽在電子系統(tǒng)中有的必要的。有些系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部電磁環(huán)境非常惡劣，使得對外殼屏蔽效能的要求也就很高。一般設(shè)備中最大的干擾源是振蕩電路，這種電路應(yīng)該用輔助分屏蔽體封閉后再裝入系統(tǒng)主屏蔽體中。這些分屏蔽體和主屏蔽箱內(nèi)、外屏蔽體/其他分屏蔽體之間只有一個(gè)必要的連接點(diǎn)，其他地方必須分開，不能連接。 多層屏蔽(系統(tǒng)箱屏蔽體或電纜)在很寬的頻段內(nèi)可以提供最佳的屏蔽效果。但在多種可供選擇的電磁兼容性方式中，是否選用多層屏蔽，主要由它

15、的成本來決定。此外，電纜線采用多層編織線屏蔽后，其柔軟性將降低。3、多孔薄型屏蔽層 多孔薄型屏蔽層的例子很多，比如薄金屬片上的通風(fēng)孔等，當(dāng)各孔間距較近時(shí)設(shè)計(jì)上必須要仔細(xì)考慮。 當(dāng)前，對元件的性能要求是散熱性與抗電磁干擾/射頻干擾(EMI/RFI)要兼而顧之。當(dāng)然，最有效的散熱方法是對流。為了對電磁干擾/射頻干擾進(jìn)行屏蔽，可以選用編織、多孔、粘結(jié)及蜂窩等通風(fēng)屏蔽材料。但由于這些材料的特性不同，因而實(shí)屏蔽效果也大不一樣。 例如，當(dāng)選用對流散熱方式時(shí)，就得在屏蔽層開孔，這將降低元件的屏蔽效果。因此，在選擇通風(fēng)屏蔽材料時(shí)，應(yīng)該確定孔徑陣列的屏蔽效果。 對于較薄的屏蔽材料，如果知道其溝槽長度L，就可根據(jù)

16、要求給定的衰減求出孔徑大小。一般來說，孔徑應(yīng)小于L=/50。當(dāng)頻率f=1000MHz(高速數(shù)字設(shè)備的正常頻率)，為了獲得允許的衰減值，孔徑不應(yīng)超過6mm。 對于只開一孔的、溝槽長度為L的薄屏蔽材料層，從該方程的A部分就可求出開孔降低的屏蔽效果。注意當(dāng)孔徑接近/2(截止頻率，fCO)時(shí)，孔徑衰減接近0dB。3.4 屏蔽電纜的接地p1、 常用的電纜雙絞線：在低于100KHz下使用非常有效，高頻下因特性阻抗不均勻及由此造成的波形反射而受到限制。帶屏蔽的雙絞線：信號電流在兩根內(nèi)導(dǎo)線上流動(dòng)，噪聲電流在屏蔽層里流動(dòng)，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時(shí)感應(yīng)到兩根導(dǎo)線上，使噪聲相消。非屏蔽雙絞線：抵御

17、靜電耦合的能力差些。但對防止磁場感應(yīng)仍有很好作用。非屏蔽雙絞線的屏蔽效果與單位長度的導(dǎo)線扭絞次數(shù)成正比。同軸電纜：有較均勻的特性阻抗和較低的損耗，使從真流到甚高頻都有較好特性。無屏蔽的帶狀電纜。2、屏蔽層引入噪聲3、放大器接地信號源浮空A連接明顯不行，因?yàn)槠帘螌拥脑肼曤娏饕竭_(dá)地，必須流經(jīng)信號線2；B連接在信號線之間產(chǎn)生的噪聲： D連接在信號線之間產(chǎn)生的噪聲：C連接，在信號線之間不產(chǎn)生任何噪聲。4、放大器浮空信號源接地C連接明顯不行，因?yàn)槠帘螌拥脑肼曤娏饕竭_(dá)地，必須流經(jīng)信號線2；B連接在信號線之間產(chǎn)生的噪聲： D連接在信號線之間產(chǎn)生的噪聲：A連接，在信號線之間不產(chǎn)生任何噪聲。3.5 電路接地

18、 接地是電子設(shè)備的一個(gè)很重要問題。接地目的有三個(gè)： （1）接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè)公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地干作。 （2）防止外界電磁場的干擾。機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。另外，對于電路的屏蔽體，若選擇合適的接地，也可獲得良好的屏蔽效果。 （3）保證安全工作。當(dāng)發(fā)生直接雷電的電磁感應(yīng)時(shí)，可避免電子設(shè)備的毀壞；當(dāng)工頻交流電源的輸入電壓因絕緣不良或其它原因直接與機(jī)殼相通時(shí)，可避免操作人員的觸電事故發(fā)生。此外，很多醫(yī)療設(shè)備都與病人的人體直接相連，當(dāng)機(jī)殼帶有110V或220V

19、電壓時(shí)，將發(fā)生致命危險(xiǎn)。 因此，接地是抑制噪聲防止干擾的主要方法。接地可以理解為一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止雷擊可能造成的損壞和工作人員的人身安全，電子設(shè)備的機(jī)殼和機(jī)房的金屬構(gòu)件等，必須與大地相連接，而且接地電阻一般要很小，不能超過規(guī)定值。接地按主要功能劃分：A、安全地 B、信號地 C、機(jī)殼地D、屏蔽地3.5.1 電路的接地方式 電路的接地方式基本上有三類，即單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。1、單點(diǎn)信號地系統(tǒng) 單點(diǎn)接地是指在一個(gè)線路中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)。其它各個(gè)需要接地的點(diǎn)都直接接到這一點(diǎn)上。串行單點(diǎn)接地并行單點(diǎn)接地2、多點(diǎn)地網(wǎng)和地

20、平面接地 多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長度最短。接地平面，可以是設(shè)備的底板，也可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的地導(dǎo)線，在比較大的系統(tǒng)中，還可以是設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架等等。多用于高頻（10MHz)電路。3、混合接地 混合接地是將那些只需高頻接地點(diǎn)，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應(yīng)盡量防止出現(xiàn)旁路電容和引線電感構(gòu)成的諧振現(xiàn)象。 例：比較大型設(shè)備機(jī)殼接地示意圖3.5.2 放大器輸入信號回路接地 如果放大器電路存在多個(gè)接地點(diǎn)，它們之間的地地位差就由可能耦合到信號回路，形成噪聲。放大器輸入電路 R1和R2為導(dǎo)線電阻，Rs為信號源內(nèi)阻，RG為地線電阻，Ri為放大器輸入電阻。uG在放大器的輸入端產(chǎn)生的噪聲電壓：如果R1=R2=1W， Rs=500W ，Ri