【正文】 III The Study of electronic circuit noise Abstract: with the rapid development of electronic technology, all kinds of electronic equipment, or system has begun to widely appeared in people39。 I 本科畢業(yè)論文（設計） 題 目 ： 電子電路的噪聲研究 專 業(yè)： 姓 名 ： 學 號： 指導教師： 職 稱： 畢業(yè)時間： II 電子電路的噪聲研究 摘要 ：隨著電子技術的快速發(fā)展，各種各樣的電子設備或系統(tǒng)已經(jīng)開始廣泛的出現(xiàn)在人們的生活中。由電子噪聲的基礎知識，電子器件的內(nèi)部噪聲，電子電路的噪聲計算入手，討論電子電路中的噪聲來源及抑制噪聲的有效方法。因此電子電路中的噪聲已經(jīng)成為一個亟待解決的問題。在這些電路中，本身較弱的噪聲及信號通過多級放大后可以對系統(tǒng)產(chǎn)生不可估量的影響，因此對其噪聲的抑制是必要的。圖 31 為電阻熱噪聲的一段電壓波形波形： 2 圖 31 電阻熱噪聲電壓波形 理論及實踐證明，當電阻的溫度為 T(K)(絕對溫度 )時，電阻 R 兩 端噪聲電壓為： KTRBV 4? 因為熱噪聲是電子電路中的常見噪聲，因此為了便于研究，把產(chǎn)生熱噪聲電阻元件用等效電路表示，等效電路由噪聲電壓 (電流 )發(fā)生器和無噪聲電阻組成，如圖 32(a)所示。因為電壓均方值可以看作該電壓在 1歐姆電阻上所消耗的平均功率，所以 S(f)通常也稱為電阻熱噪聲的功率譜密度。而把功率譜頻率變化的噪聲稱為“有色噪聲”。當不存在外加電壓時，由于 PN結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相 等而處于電平衡狀態(tài)。 PN 結的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。 由于 PN 結的正向交流電阻很小，而反向電流又很小，所以熱噪聲也很弱（噪聲均方根電壓僅大約為 4nV）。通過 PN 結的電流愈大，載流子的速度和數(shù)量的起伏也愈大，散粒噪聲電流也就愈大。 （ 3）閃變噪聲（ 1/f噪聲）： 這是一種在低頻（ 1000Hz）下具有很大影響的噪聲；其來源很可能是半導體內(nèi)部或者表面的各種雜質(zhì)、缺陷等所造成的一些不穩(wěn)定性因素。這種噪聲在以半導體表面薄層作為有 源區(qū)工作的器件中往往起著重要的作用。三極管在電子電路中的地位是十分重要的，他是電子電路的核心元件。 與二極管的熱噪聲產(chǎn)生的機理基本相同。 PN 結注入的電流愈大，載流子的速度和數(shù)量的漲落也愈大，則散粒噪聲也就愈大。 （ 1/f 噪聲）： 主要是來自于晶體缺陷、表面態(tài)或表面不穩(wěn)定性所引起的復合電流的漲落，其噪聲電流均方值與頻率 f的次方成反比， α 值對同一種半導體而言是確定的，一般 為（ ～ 。場效應管場效應晶體管（ Field Effect Transistor 縮寫 (FET)）簡稱場效應管 .由多數(shù)載流子參與導電 ,也稱為單極型晶體管 .它屬于電壓控制型半導體器件 .。在電流流過時，會使電阻的導電率發(fā)生變化引起電流的變化，產(chǎn)生類似接觸不良的閃爆電弧。而象繼電器等元件是反復工作的，其在通、斷電時會產(chǎn)生瞬間的反向高壓，形成瞬時浪涌電流，這種瞬間的高壓對電路將產(chǎn)生極大 的沖擊，從而嚴重干擾電路的正常工作。通常用η表示η = 信號功率 /噪聲功率 = S/N，譬如在測量中經(jīng)常把 (μ 2/σ 2)作為信噪比，這里μ是質(zhì)量特征值的平均值σ是樣本方差。為了說明信號的質(zhì)量，可以用信號功率 S 與其相混的噪聲功率 N 之比（即 S/N）來衡量，并稱比值 S/N 為信噪比。 噪聲溫度 噪聲溫度也是一種衡量線性電路本身噪聲性能的指標。 Nf 越大，電路的噪聲溫度越高。 分貝單位 在電子工程中最常用到的一個單位是分貝（ dB），它的定義是兩功率之比再取對數(shù)，即為分貝（ B）作為單位。下面談一下噪聲的耦合方式，即通道。常見的情況是信號處理電路和信號輸出電路使用公共電源，而電源不是內(nèi)阻為零的理想電壓源，電源內(nèi)阻就成為了公共阻抗 Zc，信號輸出電路中的電流變化就會在公共阻抗上產(chǎn)生噪聲信號，并通過電源線干擾信號處理電路，如圖 51 所示。 圖 52 直接耦合 電容耦合 控制系統(tǒng)的元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在分布電容。 圖 53 電容耦合 電磁感應耦合 電磁感應耦合又稱磁場耦合。當相鄰的元件或?qū)Ь€間絕緣電阻降低時，就會發(fā)生漏電耦合現(xiàn)象。在一定強度的電磁場輻射條件下，由于天線效應，噪聲經(jīng)輻射耦合入侵電路就難以避免。主要用于對電路板進行漏焊、虛焊、線間的短路、斷線、上錯元件、打火、燒焦等檢查。從電路的后級往前級逐級注入測試信號，同時用示波器觀測該級輸出的信號波形，若信號波形不正常，則前方電路出現(xiàn)了故障。 （ 6）短路法：用 2~3 種容量的電容器，從前級開始使電路的信號輸出部分逐一接地， 順次向后探索，直到發(fā)現(xiàn)接地時沒噪聲，則噪聲 產(chǎn)生于此電路前。 （ 10）假負載法：在尋找故障過程中，斷開電源負載，用適當功率的電阻或燈泡來替換原負載，從而確定故障在某一范圍內(nèi)的方法。在實際中，只要懂得電子技術原理，都還可以創(chuàng)新。因此，在電子電路的設計中，我們應采取抗干擾措施，對電子電路的工作原理、具體布線、屏蔽、電源的抗擾動能力、系統(tǒng)地處理以及 防護形式不斷改進，提高電子電路的可靠性和穩(wěn)定性。對于特種類型的電阻以防產(chǎn)生感應：可調(diào)電阻的滑動觸點要和定片接觸良好， 各接頭最好用最短的雙股絞線連到電路板上。 （ 3）變壓器：當電流經(jīng)過它的初級繞組時，有部分變成了漏磁通， 同時初級繞組端異常電壓會通過級間靜電電容耦合到次級繞組，對鄰近電路產(chǎn)生干擾，形成噪聲。電容的額定電壓要求盡量高，否則它的漏 電流會增大。選用半導體元件時，其額定功率要求留有余地。在高頻電路中，它們易產(chǎn)生 C， L 衰減振蕩，造成信號波形失真。 （ 7）電聲器件：由于功率和阻抗與電路的匹配不良、屏蔽線接地不當、接線柱的相位錯誤、安置的方向不對、音圈位置不當、音膜破裂等都要產(chǎn)生噪聲。指示燈的接點金屬生銹、氧化或燒壞也會產(chǎn)生噪聲。故在中、低頻的前級電路中采用場效應管不但可以降低噪聲還可以有較高的輸入阻抗。經(jīng)過調(diào)整靜態(tài)參數(shù)后仍有雜音。特別是在前級小信號輸入時，可以考慮用噪聲小的金屬膜電阻。電源必須有足夠的功率富余量，以保證電源的工作穩(wěn)定。在電路布局設計時，必須要考慮好電路的電磁兼容性，要充分考慮元器件之間的相互影響。對繼電器等能產(chǎn)生電磁能量的元件要盡量遠離容易被干擾 的功能單元和敏感元件，同時也應對其進行屏蔽隔離。當流過偏置電阻的直流電流過大時就會使能量過剩從而產(chǎn)生電流噪聲。既然存在電勢差，就有可能在小范圍內(nèi)存在小的電流。弱信號電路、低頻電路周圍地線不要形成電流環(huán)路。 圖 72 單點接地示意圖 串聯(lián)接地：從防止干擾和噪聲的 角度來看，這種接法不合理。這種接法多用于高頻電路。其目的是使電路的幅頻特性和相頻特性發(fā)生變化，破壞自激振蕩的條件，典型電路如圖 74 所示。而共集組態(tài)時輸入阻抗有較高的輸入阻抗同時也有較好的頻響。如阻容偶合電路簡單但不能傳送直流信號；變壓器耦合容易變換阻抗，而且不影響各級的靜態(tài)工作點但頻響特性差、成本高；直藕信號可以使前級信號無損直接傳輸?shù)骷夓o態(tài)工作點不能獨立，而且存在零點漂移問題。因此它是目前比較理想的抗干擾耦合電路 。屏蔽常用的材料有紫銅、黃銅、鋁及鉛錫箔等。一般用編織線作為屏蔽層將導線包圍起來 ,并且接地 ,因此能保護線路不受外界電場影響。當電子系統(tǒng)的輸入信號線采用具有金屬套的屏蔽線時 ,屏蔽線的金屬外殼必須采用一點接地。利用坡莫合金或高導磁率材料做成的磁屏 蔽罩 ,其磁阻遠小于屏蔽與輸入變壓器空氣隙的磁阻 ,干擾磁場的大部分磁力線通過屏蔽罩而不會穿過空氣隙進入被屏蔽體。當電流突然變化時 ,電路將產(chǎn)生相當大的壓降 ,造成比較大的噪聲電壓。例如運算放大器電路本身就是一個電源多種回路所公用，只要是電源線較長或電源特性不好，電源阻抗就變大。有時，盡管在電路中加了電源退耦電容，但電路仍存在自激振蕩，這時要在電路中用穩(wěn)壓器來調(diào)整運算放大器的供電電源，原理電路如圖 79所示。一般選用帶屏蔽的雙絞線電纜來確保電路對地阻抗相等。濾波的方式一般根據(jù)抑制噪聲的對象分別采用交流電源進線的低通濾波器來抑制較高頻率的噪聲 ,例如抑制電網(wǎng)噪聲。因此必須在接收端添加濾波器 ,可削弱和消除此類噪聲。因此，在電子電路的設計中，我們不僅應預先采取抗干擾的措施，在調(diào)試過程中還應及時分析出遇到的現(xiàn)象，對電子電路的工作 21 原理、具體布線、屏蔽、電源的抗擾動能力、系統(tǒng)地的處理以及防護形式不斷改進，提高電子電路的可靠性和穩(wěn)定性。從課題的選擇到項目的最終完成，楊老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意 !最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母謝謝們 !