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1、上海理工大学上海理工大学光电信息与计算机工程学院微弱信号检测微弱信号检测YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 微弱信号检测概述微弱信号检测概述微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声微弱信号不仅指信号的幅度小，主要指被噪声淹没的信号。淹没的信号。“微弱微弱”是相对于噪声而言的。是相对于噪声而言的。环境噪声很大时（军工路）。环境噪声很大时（军工路）。”静得连一根针掉下来都能听到静得连一根针掉下来都能听到”分贝计算公式分贝计算公式10*lg(P/Pref)，其中，其中Pref=20mPa，P为声功率为声功率例：两
2、个例：两个60分贝的声音合成。分贝的声音合成。60=10*lg(P/Pref)，所以，所以P=20000两个两个60分贝的声音合成，分贝的声音合成，P=2*20000=40000，所以总的分贝是：所以总的分贝是：10*lg(40000*1000/20）=63dB研究抑制噪声和提高信噪比。研究抑制噪声和提高信噪比。常规的方法：滤波；调制解调常规的方法：滤波；调制解调YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 1 11 1 噪声的基本概念噪声的基本概念一一.干干扰扰与与噪噪声声的的定定义义：扰扰乱乱有有用用信信号号的的
3、任任何何不不期期望望的的内内部部产产生生的的扰扰动动称称为为内内部部噪噪声声或或噪噪音音，外外部部产产生生的的扰扰动动称称干干扰扰。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。但无论内部噪声还是外部干扰，这里统称噪声。二二.噪声的统计规律（意义）噪声的统计规律（意义）YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 1.1.符合统计规律的正态分布符合统计规律的正态分布 概率密度概率密度:均方值均方值:均方根值均方根值:平均值平均值:a:数学期望，在这里是噪声电压的平均值，等于数学期望，在这里是噪声电压的平均值，等于0。Ya
4、ngHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 2.噪声测量噪声测量交流电测量交流电测量i=Imsint整流后测平均值：整流后测平均值：而有效值：而有效值：I效效/I平平1.11I效效1.11I平平因而修正刻度，即将测得的因而修正刻度，即将测得的I I平平 再乘以再乘以1.111.11后，最后得到后，最后得到I I效效。由由于于噪噪声声不不是是正正弦弦波波，而而是是短短尖尖脉脉冲冲，故故测测量量方方法法相相同同，但但不不是是乘乘上上1.111.11修修正正刻刻度度，而而是是通通过过经经验验得得到到修修正正值值是是1.131
5、.13。现现有有的的噪噪声声表表都是将噪声整流后测平均值，再用都是将噪声整流后测平均值，再用1.131.13修正得到噪声的有效值。修正得到噪声的有效值。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 三三 随机噪声的功率谱密度及相关函数随机噪声的功率谱密度及相关函数1 1自相关函数自相关函数 表示随机过程在二个不同时间上的相关性。（照片）表示随机过程在二个不同时间上的相关性。（照片）表示随机过程在二个不同时间上的相关性。（照片）表示随机过程在二个不同时间上的相关性。（照片）定义：定义：定义：定义：YangHui,Sch
6、oolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 3 3 3 3）=0=0=0=0，()()()()最大，最大，最大，最大，(0)(0)(0)(0)代表噪声的均方值代表噪声的均方值代表噪声的均方值代表噪声的均方值(噪声功率噪声功率噪声功率噪声功率)。4 4 4 4）对实信号，自相关函数是）对实信号，自相关函数是）对实信号，自相关函数是）对实信号，自相关函数是的偶函数，的偶函数，的偶函数，的偶函数，R R R Rx x x x()=R()=R()=R()=Rx x x x(-)(-)(-)(-)5 5 5 5）互不相关的两个随机噪声之和的自相关
7、函数等于两个随机噪）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪）互不相关的两个随机噪声之和的自相关函数等于两个随机噪声自相关函数之和。声自相关函数之和。声自相关函数之和。声自相关函数之和。Z(t)=x(t)+y(t)Z(t)=x(t)+y(t)Z(t)=x(t)+y(t)Z(t)=x(t)+y(t)，则，则，则，则R R R Rz z z z(t)=R(t)=R(t)=R(t)=Rx x x x()+R()+R()+R()+Ry y y y()()()()()()()()有三个重要特性：有三个重要特性：有三个重要特性：有三个重要特
8、性：1 1 1 1）()()()()与起点无关，仅与与起点无关，仅与与起点无关，仅与与起点无关，仅与有关；（有关；（有关；（有关；（平稳随机噪声，环境平稳随机噪声，环境平稳随机噪声，环境平稳随机噪声，环境噪声，路上车流。各态历经性。噪声，路上车流。各态历经性。噪声，路上车流。各态历经性。噪声，路上车流。各态历经性。）2 2 2 2）由于噪声是独立随机的，故由于噪声是独立随机的，故由于噪声是独立随机的，故由于噪声是独立随机的，故上升，上升，上升，上升，()()()()下降，下降，下降，下降，趋向无穷，（趋向无穷，（趋向无穷，（趋向无穷，（=），（），（），（），（）趋向）趋向）趋向）趋向0 0
9、0 0，（，（，（，（）=0=0=0=0）；）；）；）；当当当当-时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率，即YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 2 2 2 2功功功功率率率率谱谱谱谱密密密密度度度度：均均均均方方方方根根根根值值值值 用用用用来来来来衡衡衡衡量量量量噪噪噪噪声声声声电电电电压压压压幅幅幅幅值值值值的的的的大大大大小小小小，功功功功率率率率谱谱谱谱密密密密度度度
10、度S S S S（）用用用用来来来来分分分分析析析析噪噪噪噪声声声声功功功功率率率率随随随随频频频频率率率率的的的的分布情况。分布情况。分布情况。分布情况。：角频率，：角频率，f：频率，：频率，P（，）处带宽处带宽之间噪声的平均功率。之间噪声的平均功率。定义：定义：定义：定义：YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 已知已知S()或或S(f),就可求得噪声得平均功率（均方值）：就可求得噪声得平均功率（均方值）：特点：特点：1）频频带带增增加加，PN上上升升，欲欲使使PN下下降降，减减少少通通频频带带减减少少噪噪
11、声带宽；声带宽；2）S（）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。）所覆盖的面积，在数值上等于噪声的总功率。3）S（）是）是的实偶函数。的实偶函数。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 4 4功率谱密度与自相关函数的关系功率谱密度与自相关函数的关系（维纳（维纳-辛钦定量）辛钦定量）YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关自相关函数和功率谱密度的形状都与随机噪声变化的速度有关
12、YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 例例1-1随机噪声随机噪声x(t)的自相关函数的自相关函数求其功率谱密度函数和功率求其功率谱密度函数和功率YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 五五.噪声源的相关性噪声源的相关性 相关系数相关系数相关系数相关系数:设二随机噪声设二随机噪声设二随机噪声设二随机噪声u
13、u u u1 1 1 1(t)(t)(t)(t)、u u u u2 2 2 2(t),(t),(t),(t),则定义相关系数则定义相关系数则定义相关系数则定义相关系数C C C C为：为：为：为：两噪声相加得：两噪声相加得：两噪声相加得：两噪声相加得：u u u u2 2 2 2=u=u=u=u1 1 1 12 2 2 2+u+u+u+u2 2 2 22 2 2 2+2C u+2C u+2C u+2C u1 1 1 1 u u u u2 2 2 2 当当当当C C C C0 0 0 0，u u u u1 1 1 1，u u u u2 2 2 2独立，互不相关，独立，互不相关，独立，互不相关，独
14、立，互不相关，u u u u2 2 2 2=u=u=u=u1 1 1 12 2 2 2+u+u+u+u2 2 2 22 2 2 2 当当当当C C C C1111，完全相关。完全相关。完全相关。完全相关。C C C C1 ,u=u1 ,u=u1 ,u=u1 ,u=u1 1 1 1+u+u+u+u2 2 2 2 C C C C1,u=u1,u=u1,u=u1,u=u1 1 1 1u u u u2 2 2 2当当当当/C/C/C/C/1 1 1 1，部分相关。部分相关。部分相关。部分相关。实际计算时，实际计算时，实际计算时，实际计算时，C C C C一般取一般取一般取一般取C C C C0 0 0
15、 0，则对于多个噪声源，则对于多个噪声源，则对于多个噪声源，则对于多个噪声源，u u u u2 2 2 2=u=u=u=u1 1 1 12 2 2 2+u+u+u+u2 2 2 22 2 2 2+u+u+u+u3 3 3 32 2 2 2+u+u+u+u4 4 4 42 2 2 2+-+-+-+-YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 六、信噪比（六、信噪比（SNR）及信噪改善比（）及信噪改善比（SNIR）定义：定义：定义：定义：SNR=S/N=SNR=S/N=信号有效值信号有效值信号有效值信号有效值/噪声有效
16、值噪声有效值噪声有效值噪声有效值1/1/测量误差。测量误差。测量误差。测量误差。SNIRSNIR输出信噪比输出信噪比输出信噪比输出信噪比/输入信噪比输入信噪比输入信噪比输入信噪比 反映系统噪声是否得到改善得情况。反映系统噪声是否得到改善得情况。反映系统噪声是否得到改善得情况。反映系统噪声是否得到改善得情况。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 2几种典型噪声的几种典型噪声的 S（）:白噪声：白噪声：白噪声：白噪声：S S（）CC红噪声：红噪声：红噪声：红噪声：1/1/f f 噪声噪声噪声噪声直流噪声直流噪声直
17、流噪声直流噪声兰噪声：兰噪声：兰噪声：兰噪声：低频小，高频大。低频小，高频大。低频小，高频大。低频小，高频大。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 限带白噪声：限带白噪声：限带白噪声：限带白噪声：S S（）N N0 0/2,/2,YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 一一一一 电阻的热噪声电阻的热噪声电阻的热噪声电阻的热噪声(电子随机热运动电子随机热运动电子随机热运动电子随机热运动)1-2电阻的热噪声电阻的热噪声功率谱密度函
18、数：功率谱密度函数：在室温下（在室温下（17），），4kT1.610-20等效功率：等效功率：开路热噪声电压有效值：开路热噪声电压有效值：适用范围：频率不是很高适用范围：频率不是很高（1012Hz）。）。开路热噪声电流有效值：开路热噪声电流有效值：YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 串联等效电压有效值：串联等效电压有效值：串联等效电压有效值：串联等效电压有效值：E Et t串串串串2 2=4KTB=4KTB（R R1 1R R2 2）YangHui,SchoolofOptical-electricaland
19、ComputerEngineering,USST et1和和et2互不相关互不相关E Et t串串串串2 2=4KTB=4KTB（R R1 1R R2 2）YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 并联并联并联并联 E Et t并并并并2 2=4KTB=4KTB（R R1 1/R/R2 2）YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 二二二二 电阻的接触噪声（电阻的接触噪声（电阻的接触噪声（电阻的接触噪声（1/1/f f）原因：电导率
20、不均匀，材料不同。原因：电导率不均匀，材料不同。原因：电导率不均匀，材料不同。原因：电导率不均匀，材料不同。大小：大小：大小：大小：U Uexex2 2=KI=KIDCDC2 2R R2 2/f/f红噪声红噪声红噪声红噪声碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻变小。变小。变小。变小。措施：选高质量电阻，减少措施：选高质量电阻，减少措施：选高质量电阻，减少措施：选高质量电阻，减少I IDC.DC.YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USS
21、T 三三.PN结的散弹噪声结的散弹噪声原因：电子或空穴的随机发射导致流过势垒的电原因：电子或空穴的随机发射导致流过势垒的电原因：电子或空穴的随机发射导致流过势垒的电原因：电子或空穴的随机发射导致流过势垒的电流在其平均值附近随机起伏。流在其平均值附近随机起伏。流在其平均值附近随机起伏。流在其平均值附近随机起伏。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 肖特基于肖特基于肖特基于肖特基于19181918年在热阴极电子管中发现了散弹噪年在热阴极电子管中发现了散弹噪年在热阴极电子管中发现了散弹噪年在热阴极电子管中发现了散弹
22、噪声，证明其是一种白噪声，其功率谱密度函数：声，证明其是一种白噪声，其功率谱密度函数：声，证明其是一种白噪声，其功率谱密度函数：声，证明其是一种白噪声，其功率谱密度函数：电流有效值：电流有效值：平方根谱密度：平方根谱密度：给定电流的频带宽度：给定电流的频带宽度：YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 四四.爆裂噪声爆裂噪声流过半导体流过半导体PN结电流的突然变化，原因是半导体材结电流的突然
23、变化，原因是半导体材料中的杂质。料中的杂质。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 五五.结论结论n nf f 1,1,热噪声为主；热噪声为主；热噪声为主；热噪声为主；f f1 1，接触噪声为主。，接触噪声为主。，接触噪声为主。，接触噪声为主。n n少少少少用用用用直直直直流流流流放放放放大大大大器器器器，多多多多用用用用交交交交流流流流放放放放大大大大器器器器，采采采采用用用用调调调调制制制制方法将直流变成交流。方法将直流变成交流。方法将直流变成交流。方法将直流变成交流。n n低温或恒温低温或恒温低温或恒温低
24、温或恒温n n减少减少减少减少 f fN.N.YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 1-3 1-3 有源器件的噪声有源器件的噪声 噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数(F):(F):(F):(F):描述系统或放大器的噪声情况。描述系统或放大器的噪声情况。描述系统或放大器的噪声情况。描述系统或放大器的噪声情况。“输出总噪声情况输出总噪声情况输出总噪声情况输出总噪声情况”与与与与“放大器放大器放大器放大器无噪声时的输出噪声功率无噪声时的输出噪声功率无噪声时的输出噪声功率无噪声时的输出噪声功率”之比。之比。之比。之比。
25、信噪改信噪改善比善比 结论：结论：结论：结论：F F F F越小，说明系统越好，能检测到的信号也越小，检越小，说明系统越好，能检测到的信号也越小，检越小，说明系统越好，能检测到的信号也越小，检越小，说明系统越好，能检测到的信号也越小，检测灵敏度越高。测灵敏度越高。测灵敏度越高。测灵敏度越高。系统或系统或放大器放大器YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 噪声系数噪声系数F的用途：可检测的最小信号的用途：可检测的最小信号输出最小信噪比输出最小信噪比SNR0=Pso/Pno达到一定的指标。达到一定的指标。例：放大器
26、的输入噪声只有信号源电阻例：放大器的输入噪声只有信号源电阻Rs=1K欧的热噪声，温欧的热噪声，温度为度为17，放大器等效噪声带宽，放大器等效噪声带宽B=1KHz，噪声系数，噪声系数F=2，要求，要求SNR0=10，试求系统可检测的最小信号，试求系统可检测的最小信号Ei。最小信号最小信号Ei，F，B，Rs有关。有关。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 如如何何得得到到E En n和和I In n EEnini2 2=E=En n2 2+I+In n2 2RRs s2 2当当当当R Rs s0 0，E Enin
27、i2 2=E=En n22，测出，测出，测出，测出E Enono,得得得得E En nE Enono/K/Kv v取取取取R Rs s较大（较大（较大（较大（E En n2 2IIn n2 2RRs s2 2）时，）时，）时，）时，E Enini2 2=I=In n2 2RRs s22，测得测得测得测得E Enono，得，得，得，得E EniniE Enono/K/Kv v=I=In nRRss；I In n=E=Enono/(K/(Kv vR Rs s)放大器的噪声模型放大器的噪声模型YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineeri
28、ng,USST 放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 高噪声放大器高噪声放大器低噪声放大器低噪声放大器YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 最佳源电阻与噪声匹配最佳源电阻与噪声匹配YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 不同放大器的不同放大器的NF随随Rs/Rso变化
29、的曲线变化的曲线噪声因子噪声因子NFNFNF=0,NF=0,即即F=1F=1，为理想无噪声放大器。，为理想无噪声放大器。NFNF越大，放大器性能越差越大，放大器性能越差YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 考虑考虑3 3级放大器，总得输出噪声功率级放大器，总得输出噪
30、声功率P Po o为：为：PNiPN1PN2PN3PNoKP1KP2KP3级联放大器的噪声系数级联放大器的噪声系数YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 结论：结论：1第第一一级级放放大大器器噪噪声声对对系系统统影影响响最最大大，重重点点要要减少前置放大器的噪声系数；减少前置放大器的噪声系数；2.放大倍数分配原则先大后小；放大倍数分配原则先大后小；3以上公式和结论适合于线性电路中。以上公式和结论适合于线性电路中。弗里斯公式：弗里斯公式：YangHui,SchoolofOptical-electricalandC
31、omputerEngineering,USST 运算放大器的噪声特性运算放大器的噪声特性大量晶体管（大量晶体管（PN结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热结产生散弹噪声），一定数量的电阻（热噪声），引脚（噪声），引脚（1/f噪声）噪声）YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 返回返回幻灯片幻灯片48YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 低噪声前置放大器的设计低噪声前置放大器的设计放大器的主要指标有：放大器的主要指标有：增益，带宽
32、增益，带宽，输入、输出阻抗，稳，输入、输出阻抗，稳定性，经济性和噪声特性。定性，经济性和噪声特性。1.1.放大器的设计指标放大器的设计指标 （1 1）根据输入和输出电平，决定放大器的总增益。然后，按一般单级）根据输入和输出电平，决定放大器的总增益。然后，按一般单级放大器增益，确定分级效。据各级放大器特点，作增益分配。放大器增益，确定分级效。据各级放大器特点，作增益分配。（5 5）噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定。）噪声水平以测量精度或最低可检测水平决定。（6 6）经济指标，当然是在满足技术指标前提下，越低越好。）经济指标，当然是在满足技术指标前提下，越低越好。（2 2）应据要求，确定放大
33、器的工作频率范围。应据要求，确定放大器的工作频率范围。（3 3）输出阻抗要很小于常用负载，以确保负载对放大器影购较小。输入）输出阻抗要很小于常用负载，以确保负载对放大器影购较小。输入阻抗要很大于信号源内阻，尽量减低对信号源的影响。阻抗要很大于信号源内阻，尽量减低对信号源的影响。（4）稳定性是放大器酌一个重要指标。对晶体管放大器，稳定系数用）稳定性是放大器酌一个重要指标。对晶体管放大器，稳定系数用SIcIc0来描述。一般要求在来描述。一般要求在515之间。之间。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 2.2.低噪
34、声前置放大器的设计低噪声前置放大器的设计 （2）从从F Fminmin出发选择最佳的源电阻出发选择最佳的源电阻R Rsoso.A A 首先考虑噪声、稳定性，以确保放大信号时，引入噪声小首先考虑噪声、稳定性，以确保放大信号时，引入噪声小和漂移小。和漂移小。B B 满足增益、带宽要求。若能采用阻抗匹配，输入、输出阻满足增益、带宽要求。若能采用阻抗匹配，输入、输出阻抗可放在第二位考虑。抗可放在第二位考虑。C C 经济指标。经济指标。(1)(1)低噪声放大器应该尽可能选用低噪声放大器应该尽可能选用 小的器件小的器件,这样才能使最小这样才能使最小噪声系数噪声系数F Fminmin较小。另外，由于较小。另
35、外，由于 都是频率都是频率f f的函数，因此各种的函数，因此各种低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数；低噪声器件只是在一定的频率范围内才能达到其最小噪声系数；YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系放大器的等效输入噪声与信号源内阻的关系YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 最佳源电阻与噪声匹配最佳源电阻与噪声匹配阻抗匹配阻抗匹配YangHui,SchoolofOptica
36、l-electricalandComputerEngineering,USST 器件的选择器件的选择 MOSMOS场效应管场效应管根据信号源大小选用合适类型的器件，使器件的最佳源电阻等根据信号源大小选用合适类型的器件，使器件的最佳源电阻等于负载电阻，实现噪声匹配下的最小噪声系数。于负载电阻，实现噪声匹配下的最小噪声系数。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 半导体三极管半导体三极管YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 集成运
37、算放大器集成运算放大器YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 结型场效应管结型场效应管YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 金属氧化物金属氧化物(MOS)场效应管场效应管YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 阻抗匹配网络阻抗匹配网络由于由于由于由于R Rs sRRsoso，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻抗。，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻
38、抗。，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻抗。，可用阻抗匹配网络来改变等效输入阻抗。1 1.变压器匹配变压器匹配变压器匹配变压器匹配 YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 例：信号源输出电阻例：信号源输出电阻Rs=10欧，工作频率欧，工作频率f=1KHz。前置。前置放大器放大器OP07。求匹配变压器的圈数比和信噪改善比。求匹配变压器的圈数比和信噪改善比SNIR的提高倍数的提高倍数K。()OP07在在f=1KHz时，等效输入噪声平方根谱密度为时，等效输入噪声平方根谱密度为YangHui,SchoolofOptica
39、l-electricalandComputerEngineering,USST 实际变压器的误差：实际变压器的误差：线圈圈数有限，磁蕊磁导率不会无限大，因此其电感为有线圈圈数有限，磁蕊磁导率不会无限大，因此其电感为有限值；限值；有漏磁，因此耦合系数不到有漏磁，因此耦合系数不到1 1；变压器匹配的限制：变压器匹配的限制：必须是频率较高的交流信号。必须是频率较高的交流信号。变压器匹配的限制变压器匹配的限制YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 有源器件并联法有源器件并联法YangHui,SchoolofOptica
40、l-electricalandComputerEngineering,USST 1 15 5 抑止干扰和噪声的外部方法抑止干扰和噪声的外部方法YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 环境干扰噪声环境干扰噪声1.1.电力线噪声：电力线噪声：尖峰脉冲，工频干扰尖峰脉冲，工频干扰50Hz50Hz，电网波动，电网波动2.2.电气设备噪声：电气设备噪声：辉光放电，火花放电（插座）辉光放电，火花放电（插座）3.3.射频噪声射频噪声手机，广播、电视手机，广播、电视4.4.地电位差噪声地电位差噪声电路板电路板5.5.雷电雷电6
41、.6.天体噪声天体噪声 201220127.7.机械起源的噪声：机械起源的噪声：摩擦电效应，导体中磁场中的运摩擦电效应，导体中磁场中的运动，压电效应，颤噪效应动，压电效应，颤噪效应8.8.其他噪声：其他噪声：电化学噪声，温度变化引起的噪声（铜电化学噪声，温度变化引起的噪声（铜-镉镉/锡合金接点热电势锡合金接点热电势0.3uV/0.3uV/，铜，铜-铅铅/锡锡1-3 uV/1-3 uV/），触头噪声），触头噪声1-5 1-5 抑止干扰和噪声的外部方法抑止干扰和噪声的外部方法YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST
42、电子系统受到外部电磁干扰电子系统受到外部电磁干扰电力线电力线雷电雷电电台电台电视台电视台交流供电电路交流供电电路电动机电动机移动移动通信通信设备设备天体电磁辐射天体电磁辐射YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 干扰噪声的频谱分布干扰噪声的频谱分布YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 屏蔽：屏蔽：对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应
43、和辐射。磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。静电屏蔽静电屏蔽+Q+Q+Q+Q+Q+QA AA AA AB BB B用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将等量的正电荷，如果将金属屏蔽体接地，则外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。屏蔽在金属屏蔽体内。YangHui,S
44、choolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 屏蔽屏蔽1.1.对于电场和平面波，反射损耗很大对于电场和平面波，反射损耗很大,对于低频磁场，反射对于低频磁场，反射损耗一般较小；损耗一般较小；2.2.磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；屏蔽；3.3.厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB9dB的吸收损耗；的吸收损耗；YangHui,Scho
45、olofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 集肤深度：集肤深度：导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的1/e(1/e(自然底数自然底数e=2.71828183e=2.71828183）处的深度。）处的深度。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 屏蔽屏蔽1.1.对于电场和平面波，反射损耗很大对于电场和平面波，反射损耗很大,对于低频磁场，反射对于低频磁场，反射损耗一般较小；损耗一般较小；2.2.磁场比电场更难于屏
46、蔽；对于电场、平面波和高频磁场要磁场比电场更难于屏蔽；对于电场、平面波和高频磁场要用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行用良导体材料进行屏蔽；对于低频磁场要用磁性材料进行屏蔽；屏蔽；3.3.厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约厚度等于集肤深度的屏蔽层提供大约9dB9dB的吸收损耗；的吸收损耗；4.4.实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，实际屏蔽效果常常取决于屏蔽层上的开孔和接缝情况，而不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果；而不取决于屏蔽材料本身的屏蔽效果；漏磁场的量取决于漏磁场的量取决于屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于开孔的面积；屏蔽层上开孔的最大尺寸，而不取决于开孔的面积；大
47、量大量的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。的小孔比同样面积的一个大孔漏磁要少。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。电磁场屏蔽电磁场屏蔽 YangHui,School
48、ofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 电路接地电路接地1.单点串联接地单点串联接地u 布线简单方便适用于噪声要求不高的电路中，以及脉布线简单方便适用于噪声要求不高的电路中，以及脉冲数字电路冲数字电路u 不适用各部分功率差异较大的情况（地电流差异大），微弱不适用各部分功率差异较大的情况（地电流差异大），微弱信号检测电路信号检测电路YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 2.2.单点并联接地单点并联接地引线较长，常会带来较大的布线电容和电感，最适用于频率低引
49、线较长，常会带来较大的布线电容和电感，最适用于频率低于于1MHz1MHz的低频小信号。的低频小信号。当频率为当频率为1-10MHz1-10MHz时，最长接地线不超过波长时，最长接地线不超过波长1/201/20，当频率超，当频率超过过10MHz10MHz时，必须考虑多点接地法。时，必须考虑多点接地法。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 3.3.多点接地（适用于高频电路多点接地（适用于高频电路10MHz10MHz以上，低频性能较差）以上，低频性能较差）地板可以是金属条，也可以是金属机板。地板可以是金属条，也可以
50、是金属机板。YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 4.混合接地（既能用于高频，又能用于低频）混合接地（既能用于高频，又能用于低频）YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 系统的地回路电流系统的地回路电流共模源共模源YangHui,SchoolofOptical-electricalandComputerEngineering,USST 共模干扰电压在前置放大器输入共模干扰电压在前置放大器输入端产生的干扰电压：端产生的干扰电压：