第三講低噪聲電路的抗干擾技術

1、微弱信號檢測理論與應用微弱信號檢測理論與應用第三講第三講 低噪聲電路的抗干擾低噪聲電路的抗干擾技術技術3.0 引言 是指有用信號以外的噪聲或造成放大電路不能正常工作的破壞因素。 干擾無處不在干擾無處不在 干擾源干擾源 傳播途徑傳播途徑 干擾對象干擾對象 就是通過對這三要素中的一個或多個采取就是通過對這三要素中的一個或多個采取必要措施來實現的。必要措施來實現的。3.1 環(huán)境干擾噪聲環(huán)境干擾噪聲 干擾噪聲源干擾噪聲源 干擾噪聲的頻譜分布干擾噪聲的頻譜分布3.1.1 干擾噪聲源干擾噪聲源l1、電力線噪聲、電力線噪聲 (1)尖峰脈沖噪聲 大功率開關的通斷：電機、電梯、電焊機、電爐等。 (2)工頻電磁場

2、 50Hz電磁輻射波，電流越大，輻射越強。 (3)電網電壓波動 1015%額定電壓波動。l2、電氣設備噪聲、電氣設備噪聲 (1)輝光放電 輝光放電即氣體放電。當兩個接點之間的氣體被電離時，由于離子磁撞而產生輝光放電，肉眼可見到藍色的輝光。輝光放電所需電壓與接點之間的距離、氣體類型和氣壓有關。熒光燈、霓紅燈、閘流管以及工業(yè)生產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備。這類設備對測試系統(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生高頻振蕩

3、，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備，在半徑為50米的范圍內，當頻率為0.150.5MHz時，干擾電壓最低仍可達1000mV；當頻率為2.5150MHz時，也可達200mV。(3)火花放電 電氣設備觸點處的繼續(xù)電流將引起火花放電。這種放電出現在觸點通斷的瞬間，如電動機、電刷同鄰近的整流片反復接通和斷開，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。 內燃機點火系統(tǒng)是一個很強的

4、干擾源。這種點火系統(tǒng)產生強烈的沖擊電流，從而激勵附屬電路振蕩，并由點火導線輻射出去。這種干擾的頻率分量很高，在201000MHz范圍內，干擾半徑可達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。當頻率低于1MHz時，衰減微弱；當頻率高于1MHz時，急劇衰減。因此電暈放電干擾對高頻系統(tǒng)影響不大，而對低頻系統(tǒng)影響較為嚴重。 3、射頻噪聲、射頻噪聲 例如廣播、電視、通信、雷達、導航等發(fā)射設備，是通過向空間發(fā)射有用信號的電磁能量來工作的，它們對不需要這些信號的電子系統(tǒng)或

5、設備將構成功能性干擾，而且是電磁環(huán)境的重要污染源。 4、大氣干擾噪聲、大氣干擾噪聲 大氣干擾是指除雷電放電外大氣中的塵埃、雨點、雪花、冰雹等微粒在高速通過飛機、飛船表面時，由于相對摩擦運動而產生電荷遷移從而沉積靜電，當電勢升高到1MV時，就發(fā)生火花放電、電暈放電。這種放電產生的寬帶射頻噪聲頻譜分布在幾赫茲到幾十兆赫茲的范圍內，會嚴重影響高頻、甚高頻頻段的無線電通信和導航。 5、雷電、雷電 雷電干擾主要是由夏季本地雷電和冬季熱帶地區(qū)雷電放電所產生。地球上平均每秒鐘發(fā)生100次左右的雷擊放電。雷電是一連串的干擾脈沖，其電磁發(fā)射借助電離層的傳輸呵傳播到幾于公里以外的地方。雷電干擾的頻譜在50MHz以

6、下都有分布，主要能量分布在100kHz左右，對地球上20MHz以下的無線電通信影響較大。 6、天體噪聲、天體噪聲 天體噪聲天體噪聲是來自太陽系、銀河系及河外星系的電磁騷擾，主要包括太空背景噪聲和太陽、月亮、木星等發(fā)射的無線電噪聲。太陽無線電噪聲則隨著太陽的活動性明顯變化，太陽活動高年無線電噪聲顯著增加。太陽的干擾頻率從10MHz到幾十GHz。銀河系的干擾峰值出現在頻段100-200MHz。宇宙干擾影響最大的頻段是20-500MHz。 7、機械起源的噪聲、機械起源的噪聲 (1)摩擦電效應 摩擦起電 (2)磁場中運動導體的發(fā)電效應 法拉第定律 (3)壓電效應 受到壓力時，壓電材料表面電極產生電位差

7、。 (4)顫噪效應 “電容效應” 8、其它噪聲源、其它噪聲源 (1)電化學噪聲 大氣化學污染，在印刷板上可能形成電化學電池，形成噪聲。 (2)觸點噪聲 插座觸點、開關觸點、焊接不良觸點(3)溫度變化引起的噪聲 當電流回路的導線采用不同的金屬，并且在連接處具有不同的溫度時，則在回路內將產生溫差電勢。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，使得終結果為Vm+V0。3.1.2 干擾噪聲的頻譜分布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 干擾耦合途徑干擾耦合途徑 傳導耦合 公共阻抗耦合 電源耦合 電場耦合

8、磁場耦合 電磁輻射耦合3.2.1 傳導耦合 干擾噪聲通過導線傳導引入到放大電路和檢測設備。 交流電源線、長信號傳輸線。所有的干擾噪聲都可以通過導線耦合到檢測系統(tǒng)中。 有效的解決方法：遠離噪聲源，去耦，濾波，隔離等。3.2.2 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是由于干擾源與敏感部位共用一個線路阻抗而產生的。 測試系統(tǒng)往往共用一個直流電源或不同電源共用一個地線。因此，當各部分電路的電流均流過公共地線時，會在其上產生電壓降，形成相互 影響的噪聲干擾 信號。這種情況 在數字電路和模 擬電路共地時非 常明顯。 解決的方法：采 用合理的接地措施。公共阻抗 例：下圖， Rcm是模擬系統(tǒng)和數字系統(tǒng)的公共接地線的電阻

9、。理想的情況Rcm0，使三極管的e極電位為0。 實際系統(tǒng)，數字系統(tǒng)的入地電流比模擬系統(tǒng)大得多，并且有較大的波動噪音。即使Rcm很小，數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，假設數字系統(tǒng)的入地電流為2A，在0.01 的Rcm上產生20mV電壓，此電壓與測量電壓Vs疊加。若Vs =100mV，那么測量精度將會低于20%。3.2.3 電源耦合u所產生的干擾主要是從電源和電源引線侵入系統(tǒng)。情況如下： 當系統(tǒng)與其它經常變動的大負載共用電源時，會產生電源噪聲。 當使用較長的電源引線來進行傳輸時，所產生電壓降及感應電勢等也會形成噪聲。 系統(tǒng)所需的

10、直流電源，一般均為由電網交流電經濾波、穩(wěn)壓后提供，有時會因某種原因凈化不佳，對系統(tǒng)產生干擾。這種干擾常給高精度系統(tǒng)帶來麻煩，應引起重視。 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導體相互靠近時，一根導體上的電磁能會對另一根導體產生影響，表現為電場交鏈耦合，耦合程度取決于導體的形狀、尺寸、周圍介質及相對位置，即兩導體間的電容，故又稱為容性耦合。 當干擾源產生的干擾是以電壓形式出現時，干擾源與信號電路之間就存在容性(電場)耦合，這時干擾電壓線電容耦合到信號電路，形成干擾源。 對于平行導線，由于分布電容較大，容性耦合較嚴重。在下圖(a)中，導線1和導線2是兩條平行線，C1和C2分

11、別是各線對地的分布電容，C12是兩線間分布的耦合電容，V1是導線1對地電壓，R是導線2對地電阻。 由圖(b)等效電路可得導線1電壓通過耦合導線2上產生的電壓V2為： 當R1/j(C12+C2)時，式(1)可簡化為： V2=C12V1/（C12+C2） （2） 此時V2按電容分壓，這種耦合情況是嚴重的。 當R10MHz)電路。ICICICICICICICICICICICICICICICIC電源輸入電容 3、混合接地 混合接地是將那些只需高頻接地點，利用旁路電容和接地平面連接起來。但應盡量防止出現旁路電容和引線電感構成的諧振現象。 例：混合接地系統(tǒng)4、接地電阻 接地電阻越小越好 接地電阻會引入差模

12、干擾和共模干擾3.5.3 放大器輸入信號回路接地 如果放大器電路存在多個接地點，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為導線電阻，Rs為信號源內阻，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生的噪聲電壓： 如果R1=R2=1W， Rs=500W ，Ri=10kW，RG=0.01W， uG 1mV，則un 0.95mV。 解決方法：單點接地、差動放大、平衡差動放大。)(12221siGGsiinRRRRuRRRRRRRu 1、單點接地 2、差動放大 當RGRs+R1，Ri2R2，un趨于零。GiisiiBnAnnuRRRRRRRuuu)

13、(222111 定義： 所謂平衡電路，是指輸入電路的兩個支路具有相同的阻抗，且對地阻抗也相同。 這樣使兩個支路感應的噪聲相同，在差分輸入放大的輸入端噪聲就相互抵消。 平衡差動放大電路us1=us2，Rs1=Rs2，R1=R2。對地的分布阻抗相同。這樣信號源、傳輸線、放大器都是平衡的，地電位ug在放大器輸入端只產生共模噪聲，不產生差模噪聲。 4、防護屏蔽 當差動放大器的信號輸入電路不完全對稱平衡，共模干擾在差動放大器額兩個輸入端A點和B點產生的噪聲電壓將會不同，在放大器輸出端產生噪聲。如果將放大器的地、放大器屏蔽罩以及傳輸線的屏蔽層接到某一防護電位ug，而不是接到儀表端的地，則共模噪聲uG只產生

14、共模輸入，而不產生差模輸入，這就是防護屏蔽。 A、B兩點之間的電壓：sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111)( (1)如果Z1=Z2， Z1=Z2，uG對uAB無影響， 平衡式電路。 (2)如果uGug ， uG對uAB無影響，這是傳感器接地、放大器浮空式防護屏蔽。 (3)令ug (uA +uB)/2，這時有： A、B兩點之間的電壓變換： 這時， uAB不再是u G的函數， uG對uAB無影響，稱之為防護屏蔽。)/()/()/(222111111ZZZZZZZZZuugG2/ )/(12211ZZZZuuuusBAAB3.6 其它噪聲抑制技術其它噪聲抑制技術 隔離 縱向

15、扼流變壓器 信號線和電源線濾波3.6.1 隔離1、變壓器隔離如果相隔一定距離的電路兩端都接地時，很容易形成接地環(huán)路，形成環(huán)路電流。利用變壓器很容易將環(huán)路斷開。變壓器隔離2、光電耦合隔離光電耦合器件是把發(fā)光器件(如發(fā)光二極管)和光敏器件(如光敏三極管)組裝在一起，通過光線實現耦合構成電一光和光一電的轉換器件。光電耦合器特性(1)光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105106。據分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。(2)光電耦合器的輸入回路與輸出回

16、路之間沒有電氣聯系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。(3)光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。(4)光電耦合器的響應速度極快，其響應延遲時間只有10s左右，適于對響應速度要求很高的場合。應用1應用23、隔離放大器隔離隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信號，在工業(yè)控制、信號測量和醫(yī)療器械,信號放大等各個方面獲得廣泛應

17、用。實用于電信，電力，石油，石化，環(huán)保，水處理，冶金，食品，暖通空調等領域。（1）組成及符號輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸 出放大器uducuiso 隔離模式： 兩端口隔離：輸入部分和輸出部分歐姆隔離 三端口隔離：信號輸入部分、輸出部分和功率供給部分相互歐姆隔離。 根據隔離方式不同可分為： 變壓器隔離放大器，如兩口隔離的AD204、三口隔離的AD215等； 電容隔離放大器，如ISO106, ISO122； 光電隔離放大器，如HCPL-7840 。二端口隔離結構三端口隔離結構 特點輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的 信號傳遞的主要方式 1. 電磁耦合 2. 光電耦合 3.電

18、場耦合（2）原理框圖a) 變壓器耦合浮置電源輸入調制放 大 器耦合變壓器輸出解調放 大 器輸出輸入b) 光電耦合浮置電源光耦合器輸 入放大器輸 出放大器輸出輸入LEDV二極管 二極管型二極管 三極管型（3）光電耦合隔離放大器光敏二極管IoIiIiIo發(fā)光二極管發(fā)光二極管光敏三極管 光電耦合器的特點a.耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件b.非線性器件傳輸模擬信號將會導致信號失真 克服非線性失真通常采取的措施a. 給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內線性傳輸信息。b. 采用負反饋技術。光電隔離放大器ISO100 i1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp)

19、uo=(R5+ Rp) ui/R1-+N1C10VVLC1i1R210V10VVLC2i2R3R1ui10VuoR5-+N2R43.9kRp不同的地例：光電耦合放大電路 光隔離放大器屬于二口隔離放大器，輸入部分和輸出部分必須分別供電。變壓器隔離方法只需要在輸出部分供電，利用功率轉換的方法向輸入部分供電。變壓器隔離放大器有二口隔離和三口隔離兩種形式。放大器原理圖（4）變壓器隔離放大器+-1A調制器隔 離電 源解調器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuIW Wk100CCV +-1A調制器隔 離電 源解調器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuIW Wk100CCV 調 制給輸入側提供能量兩側電源獨

20、立解 制輸入、輸出側間電氣絕緣變壓器隔離放大器AD215原理圖和引腳例：隔離放大電路 235L電源904510增益微調用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅電路10k10k1k235L電源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C0.1F（5）電容耦合隔離放大器 電容耦合隔離放大器是隔離放大器中又一個品種。 BB公司(TI收購)出品的電容耦合隔離放大器種類繁多： 電容耦合密封型緩沖隔離放大器,如ISO102、ISO106、ISO120B、ISO121B、ISO122等;

21、內部帶有隔離電源的電容耦合隔離放大器,如ISO103、ISO113、ISO107等; 電容耦合電壓/頻率轉換隔離放大器如ISO108、ISO109等。電容耦合隔離放大器原理 輸入級包含一個放大器、一個振蕩器及一個調制器。 輸出級包括一個解調制器，一個放大器。 調制( modulation)與解調 在隔離放大器輸入級對信號進行幅度或脈寬調制；在輸出級從被調制過的信號中取出原輸入級的信號，使原先從輸入級來的信號回到其原有的形式。信號調制ISO124P的框圖3.6.2 縱向扼流變壓器 如果電流中需要通過直流分量或低頻信號，變壓器隔離的方式就不能使用。此時可以采用縱向扼流變壓器。 遏制共模干擾，對信號

22、電流呈現低阻。 共模扼流圈由兩個共磁芯的電感組成。當兩個不同方向的電流流過共模扼流圈時，兩個線圈產生方向相反的磁場，磁場相互抵消，因此線圈兩端表現出零阻抗。但當共模電流流過扼流圈時，兩個線圈會產生方向相反的磁場，磁場相互加強，因此線圈兩端表現出高阻抗。正是由于具有這種特性，共模扼流圈能顯著減少噪聲。 采用扼流圈有如下好處： 扼流圈不僅能傳輸交流信號，而且也能傳輸直流信號； 扼流圈對地線中較高頻率的干擾有強的抑制能力； 扼流圈能抑制所傳輸的較高頻率的信號對其他電路單元的干擾。3.6.3 信號線和電源線濾波信號線濾波器信號線濾波器 1、穿芯電容濾波器 在處理穿越屏蔽體的引線端子時可以采用穿芯電容來構成共模電容濾波器，通常也將之稱做饋通濾波器。 饋通型濾波器安裝在金屬面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出，因此濾波器具有非常好的高頻濾波效果。適應屏蔽體。 饋通濾波器的電路結構分為C 型（穿心電容）、L