《电路噪声和抗干扰措施PPT》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电路噪声和抗干扰措施PPT（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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。,电子电路的噪声和干扰,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。,一、研究噪声和干扰的必要性,电子系统的噪声和干扰,噪声与干
2、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,一、研究噪声和干扰的必要性,电源、器件之间、PCB走线之间的串扰等,（EMI）,现场干扰：个人手机、笔记本、测试仪等,电子系统的噪声和干扰,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）
3、散粒噪声（Shot Noise） 爆米花噪声(popcorn frequency) 放大器噪声等,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。,（1）电
4、阻热噪声（Thermal Noise）,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,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,因此，噪声电压或电流的有效值为,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。,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
5、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,结论：电阻越大、温度越高，电阻的热噪声越大。,对于LC并联谐振电路，所产生的噪声电压均方值为,式中，,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,所产生的噪,声电压均方值为,在回路谐振时，折算到ab两端的电压均方值为,得到如图8.2.5(b)所示的等效电路。,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
6、, 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。,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。,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。,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,，其噪声电流的均方值为,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,对于双极型晶体管，
7、散粒噪声是主要噪声源。,散粒噪声（Shot Noise）,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,对于场效应管来说：,散粒噪声（Shot Noise）,爆米花噪声(popcorn frequency),半导体的表面若受到污染便会产生这种噪声，其影响长达几毫秒至几秒，噪声产生的原因仍然未明，在正常情况下，并无一定的模式。生产半导体时若采用较为洁净的工艺，会有助减少这类噪声。,)：,输入参照噪声总量,运放输入端等效（换算）噪声电压的计算：,其中，,指信源电阻；,指放大器的噪声电压；,指信源电阻的热噪声；,指放大器的噪声电流,
8、运算放大器噪声,1、信噪比： 四端网络某一端口处信号功率与噪声功率之比。 信噪比SNR(Signal to Noise Ratio)通常用分贝数表示。,噪声系数的定义,体会：信噪比表示信号本身质量的好坏，信噪比越大， 说明信号本身的质量越好。,噪声系数：描述放大器噪声性能的一个重要指标,如果放大器内部不产生噪声, 当输入信号与噪声通过它时, 二者都得到同样的放大, 那么放大器的输出信噪比与输入信噪比相等。而实际放大器是由晶体管和电阻等元器件组成,热噪声和散粒噪声构成其内部噪声, 所以输出信噪比总是小于输入信噪比。为了衡量放大器噪声性能的好坏, 提出了噪声系数这一性能指标。,放大器的噪声系数Nf
9、(Noise Figure)定义： 输入信噪比与输出信噪比的比值, 即:,用分贝数表示:,分析： 1.噪声系数表示信号通过该网络信号质量变坏的程度。噪声系数 越大说明，信号通过该网络后信号质量变坏的程度越大。 2.噪声系数NF只与输出端总的噪声功率Pno和放大电路输入端噪 声功率经放大后在输出端所产生的噪声功率Pno1有关，而与输 入信号大小无关。,结论： 实际Nf1。理想情况下Pno2=0，才可能使Nf=1。 其值越接近于, 则表示该放大器的内部噪声 越小。放大器的噪声性能越好。,噪声系数的表示,AP : 放大电路的功率增益 Pn01 ：输入端的噪声功率Pni经放大电路放大后在输出端的噪声功
10、率 Pn02 ：放大电路自身产生的噪声在输出端的功率,（二）辐射噪声,不接触感染噪声。模拟电路工作需要电源、地线、输入和输出引线，这些引线可将外界干扰引入模拟电路。而电磁辐射信号直接作用到模拟电路上，使模拟电路受到干扰。例如，电路板上单片机的晶体振荡器，就是一个电磁辐射源，可以干扰模拟电路的工作。 随着信号频率的提高，PCB上相邻信号线间的串扰将成正比地增加，并且信号线上的反射将会相应增加。如果频率更高一些，对布线的长度就有更严格的限制，根据分布参数的网络理论，高速电路与其连线间的相互作用是决定性因素，在系统设计时不能忽略。,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,通常高速电路的功耗和热耗散也都很大
11、，在做高速PCB时应引起足够的重视。 当板上有毫伏级甚至微伏级的微弱信号时，对这些信号线就需要特别的关照，小信号由于太微弱，非常容易受到其它强信号的干扰，屏蔽措施常常是必要的，否则将大大降低信噪比。以致于有用信号被噪声淹没，不能有效地提取出来。,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,（二）辐射噪声,对PCB板子的预留调测点（测试点）也要在设计阶段加以考虑，测试点的物理位置，测试点的隔离等因素不可忽略，因为有些小信号和高频信号是不能直接把探头加上去进行测量的。 此外还要考虑其他一些相关因素，如采用元器件的封装外形，板子的机械强度等。在做PCB板子前，要做出对该设计的设计目标心中有数。,三、电路板设计
12、时应考虑的噪声种类,（二）辐射噪声,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,（二）辐射噪声,（三）传导噪声,由传输线物理连接接触传染的噪声。如PCB上的传导线可能会有50赫兹的工频噪声，如效率高的开关电源却是一个高频噪声源。传导噪声的根源最终还是来源于器件噪声和辐射噪声，器件噪声和辐射噪声最后都体现在传导噪声上。如模拟地和数字地的连接共地噪声。,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,（三）传导噪声,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,（三）传导噪声,三、电路板设计时应考虑的噪声种类,四、电子电路抗干扰设计的依据,抑制干扰源 切断干扰途径 保护敏感器件,抑制干扰源常用的方法
13、,(1)消除线圈反向电动势的方法,减少辐射和传导噪声,抑制干扰源常用的方法,(2)消除接点火花的方法,减少辐射噪声,抑制干扰源常用的方法,(3)减小电机电磁噪声的方法 LI=L2=100H、C1=C2=4700pF、C30.01F左右C1、C2接电机外壳。注意电容、电感的引线要尽量短。,减少辐射噪声,抑制干扰源常用的方法,(4)减小高频噪声对IC干扰的方法 每个IC并接一个0.01O.1F的高频滤波电容,消除传导噪声,抑制干扰源常用的方法,(5) PCB板的正确布线,减少辐射噪声,抑制干扰源常用的方法,(6)消除可控硅干扰的方法 一般C1=0.01 F、R1=100300左右。,减少辐射噪声,
14、切断干扰传播路径,按干扰传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类 (1)消除电源噪声的方法,切断干扰传播路径,(2)与噪声源隔离的方法 L1=1.3H左右（为磁珠电感器）。也可用1OO左右的电阻代替。C1=C2=1000pF左右,切断噪声传递路径,切断干扰传播路径,(3)晶振的正确安装,切断辐射噪声传递路径,（4）设计PCB板时分区要合理，如强、弱信号，高（频）、低（频）信号，数字、模拟信号要分开。尽可能把干扰源(如电机、继电器等)与敏感器件(如运放、单片机等芯片)远离。,切断干扰传播路径,切断干扰传播路径,减少传导噪声,切断干扰传播路径,(5) 数宇地与模拟地的分离,减少传导噪声,切断干扰传播路
15、径,(6)功率器件的放置与接地,大功率 电路,大功率 电路,减少传导噪声,切断干扰传播路径,(7)关键连接线的处理 在单片机IO口或其它芯片输入输出端、电源线、电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件。如磁珠、磁环、电源滤波器、屏蔽罩、光电隔离器等。可显著提高电路的抗干扰性。,提高敏感器件的抗干扰性能,(1)减小关键相邻两线回路环面积,减少辐射噪声,(1)PCB走线90拐弯时要圆滑,提高敏感器件的抗干扰性能,(2) 闲置管脚的处理方法 对于单片机的闲置管脚，不要悬空。可根据电气性能要求接地或接电源。其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。,闲置运放的引脚怎么连接呢？,提高敏感器件的抗
16、干扰性能,提高敏感器件的抗干扰性能,提高敏感器件的抗干扰性能,提高敏感器件的抗干扰性能,(3)设置较宽的电源线和接地线 布线时，电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。 （4）使用电源看门狗电路 对单片机等重要芯片要使用电源监控及看门狗电路，对于一般芯片可接入去耦电容，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。,提高敏感器件的抗干扰性能,（5）尽量使用速度较低的芯片 在能满足电路性能要求的前提下，尽量降低单片机的晶振频率和选用低速数字电路。 （6）IC器件尽量直接焊接在电路板上，少用lC插座，增加芯片的抗干扰性能 设计印刷电路板时，必须要考虑抗干扰问题。即使电路原理图设计正确，而由于印刷电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。,单片机控制系统的抗干扰技术,电磁干扰一般是以脉冲形式进入单片机系统，渠道主要有三条： 空间干扰(场干扰)，电磁信号通过空间辐射进入系统。 过程通道干扰，干扰通过与系统相连的前向通道、后向通道及与其它系统的相
