微弱信号检测理论与应用,第三讲 低噪声电路的抗干扰技术,3.1 环境干扰噪声,干扰噪声源干扰噪声的频谱分布,3.1.1 干扰噪声源,1、电力线噪声(1)尖峰脉冲噪声大功率开关的通断：电机、电梯、电焊机、电炉等。(2)工频电磁场50Hz电磁辐射波，电流越大，辐射越强。(3)电网电压波动1015%额定电压波动。,2、电气设备噪声(1)辉光放电辉光放电即气体放电。当两个接点之间的气体被电离时，由于离子磁撞而产生辉光放电，肉眼可见到蓝色的辉光。辉光放电所需电压与接点之间的距离、气体类型和气压有关。荧光灯、霓红灯、闸流管以及工业生产中使用的大型辉光离子氧化炉等，均是利用这一原理制造的辉光放电设备。这类设备对测试系统都是干扰源，频率一般为超高频。如荧光灯干扰，电压为几十到几千微伏（mV），甚至可达几十毫伏（mV）。,(2)弧光发电弧光放电即金属雾放电。最具典型的弧光放电是金属电焊。弧光放电产生高频振荡，以电波形式形成干扰。这种干扰对测试系统危害较大，甚至对具有专门防干扰的设备，在半径为50米的范围内，当频率为0.150.5MHz时，干扰电压最低仍可达1000mV；当频率为2.5150MHz时，也可达200mV。,(3)火花放电电气设备触点处的继续电流将引起火花放电。这种放电出现在触点通断的瞬间，如电动机、电刷同邻近的整流片反复接通和断开，形成很宽频率范围的火花放电干扰。这种干扰波虽被电机金属外壳屏蔽，但还会有部分通过窄小的空隙处和引出线辐射出来。尽管如此，这种干扰仍具有较大的能量。小型电钻的干扰电平约为2080dB（200MHz以下），可使邻近电视图像不停跳动。内燃机点火系统是一个很强的干扰源。这种点火系统产生强烈的冲击电流，从而激励附属电路振荡，并由点火导线辐射出去。这种干扰的频率分量很高，在201000MHz范围内，干扰半径可达50100m的范围。,(4)电晕噪声最常见的电晕放电来自高压输出线。 高压输电线因绝缘失效会产生间隙脉冲电流，形成电晕放电。在输电线垂直方向上的电晕干扰，其电平随频率升高而衰减。当频率低于1MHz时，衰减微弱；当频率高于1MHz时，急剧衰减。因此电晕放电干扰对高频系统影响不大，而对低频系统影响较为严重。,3、射频噪声例如广播、电视、通信、雷达、导航等发射设备，是通过向空间发射有用信号的电磁能量来工作的，它们对不需要这些信号的电子系统或设备将构成功能性干扰，而且是电磁环境的重要污染源。,4、大气干扰噪声大气干扰是指除雷电放电外大气中的尘埃、雨点、雪花、冰雹等微粒在高速通过飞机、飞船表面时，由于相对摩擦运动而产生电荷迁移从而沉积静电，当电势升高到1MV时，就发生火花放电、电晕放电。这种放电产生的宽带射频噪声频谱分布在几赫兹到几十兆赫兹的范围内，会严重影响高频、甚高频频段的无线电通信和导航。,5、雷电雷电干扰主要是由夏季本地雷电和冬季热带地区雷电放电所产生。地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击放电。雷电是一连串的干扰脉冲，其电磁发射借助电离层的传输呵传播到几于公里以外的地方。雷电干扰的频谱在50MHz以下都有分布，主要能量分布在100kHz左右，对地球上20MHz以下的无线电通信影响较大。,6、天体噪声天体噪声是来自太阳系、银河系及河外星系的电磁骚扰，主要包括太空背景噪声和太阳、月亮、木星等发射的无线电噪声。太阳无线电噪声则随着太阳的活动性明显变化，太阳活动高年无线电噪声显著增加。太阳的干扰频率从10MHz到几十GHz。银河系的干扰峰值出现在频段100一200MHz。宇宙干扰影响最大的频段是20一500MHz。,7、机械起源的噪声(1)摩擦电效应摩擦起电(2)磁场中运动导体的发电效应法拉第定律(3)压电效应受到压力时，压电材料表面电极产生电位差。(4)颤噪效应“电容效应”,8、其它噪声源(1)电化学噪声大气化学污染，在印刷板上可能形成电化学电池，形成噪声。(2)触点噪声插座触点、开关触点、焊接不良触点,(3)温度变化引起的噪声当电流回路的导线采用不同的金属，并且在连接处具有不同的温度时，则在回路内将产生温差电势。在下图中，如一支路R为康铜，另一支路RL为铜，则温差电势V0=V01-V02=1100mV，此电势将叠加到测量电压Vm上，使得终结果为Vm+V0。,3.1.2 干扰噪声的频谱分布,各种干扰噪声的频谱如下图所示,3.2 干扰耦合途径,传导耦合 公共阻抗耦合 电源耦合 电场耦合 磁场耦合 电磁辐射耦合,3.2.1 传导耦合,干扰噪声通过导线传导引入到放大电路和检测设备。交流电源线、长信号传输线。所有的干扰噪声都可以通过导线耦合到检测系统中。有效的解决方法：远离噪声源，去耦，滤波，隔离等。,3.2.2 公共阻抗耦合,测试系统往往共用一个直流电源或不同电源共用一个地线。因此，当各部分电路的电流均流过公共地线时，会在其上产生电压降，形成相互影响的噪声干扰信号。这种情况在数字电路和模拟电路共地时非常明显。 解决的方法：采用合理的接地措施。,例：下图， Rcm是模拟系统和数字系统的公共接地线的电阻。理想的情况Rcm0，使三极管的e极电位为0。,实际系统，数字系统的入地电流比模拟系统大得多，并且有较大的波动噪音。即使Rcm很小，数字电路也会在其两端形成较高电压，使模拟系统的接地电压不能为零。在图(b)中模拟电路是测量前置放大器，假设数字系统的入地电流为2A，在0.01 的Rcm上产生20mV电压，此电压与测量电压Vs叠加。若Vs =100mV，那么测量精度将会低于20%。,3.2.3 电源耦合,所产生的干扰主要是从电源和电源引线侵入系统。情况如下： 当系统与其它经常变动的大负载共用电源时，会产生电源噪声。 当使用较长的电源引线来进行传输时，所产生电压降及感应电势等也会形成噪声。 系统所需的直流电源，一般均为由电网交流电经滤波、稳压后提供，有时会因某种原因净化不佳，对系统产生干扰。这种干扰常给高精度系统带来麻烦，应引起重视。,交流电源的滤波和屏蔽,3.2.4 电场耦合,电场耦合使指单两个导体相互靠近时，一根导体上的电磁能会对另一根导体产生影响，表现为电场交链耦合，耦合程度取决于导体的形状、尺寸、周围介质及相对位置，即两导体间的电容，故又称为容性耦合。当干扰源产生的干扰是以电压形式出现时，干扰源与信号电路之间就存在容性(电场)耦合，这时干扰电压线电容耦合到信号电路，形成干扰源。,对于平行导线，由于分布电容较大，容性耦合较严重。在下图(a)中，导线1和导线2是两条平行线，C1和C2分别是各线对地的分布电容，C12是两线间分布的耦合电容，V1是导线1对地电压，R是导线2对地电阻。,由图(b)等效电路可得导线1电压通过耦合导线2上产生的电压V2为：当R1/j(C12+C2)时，式(1)可简化为：V2=C12V1/（C12+C2） （2） 此时V2按电容分压，这种耦合情况是严重的。 当R 1/j(C12+C2)时，式(1)可简化为：V2=jC12RV1 (3) 由式(1)、(2)、(3)可知，容性耦合干扰随着耦合电容的增大而增大。,3.2.5 磁场耦合,当干扰源是以电流形式出现的， 此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。1、电流的磁场在距离r处的磁感应强度为：,2、电磁感应耦合对于磁场中的导体回路，当穿过回路的磁通F 发生变化时，产生的感应电动势v为：而,3、互感耦合下图为互感耦合示意图。,两邻近导互之间存在分布互感M： M=/I1其中，I1是流过导线1的电流，是电流I1产生的与导线2交线的磁通。由互感耦合在导线2上形成的互感电压为：V2=MI1此电压在导线上是串联的。从式中可知V2与干扰的频率和互感量成正比。,4、磁场耦合的抑制抑制磁场耦合干扰的好办法应该是屏蔽干扰源。大电机、电抗器、磁力开关和大电流载流导线等等都是很强的磁场干扰源。但把它们都用导磁材料屏蔽起来，在工程上是很难做到的。通常是采用一些被动的抑制技术。当回路1对回路2造成磁场耦合干扰时，其在回路2 上形成的串联干扰电压VN为：VN=jBAcos,式中，是干扰信号的角频率；B是干扰源回路1形成的磁场链接至回路2处的磁通密度；A为回路2感受磁场感应的闭合面积，是A和B两个矢量的夹角。可以看出，在干扰源的角频率不变时，要想降低干扰电压VN，首先应当减小B。对于直线电流磁场来说，B与回路1流过的电流成正比，而与两导线的距离成反比 。因此，要有效抑制磁场耦合干扰，仍然是远离技术。同时，也要避免平行走线。,3.2.6 电磁辐射耦合,任何的交变电流都会向外辐射电磁波，任何的导体都可以接收电磁波产生噪声。,频率为f 的交变电流在长度为L的短直导线流动，在相距为r处的电场强度为：,干扰例子,干扰例子说明,（1）各级电路的连接线很容易导入噪声； （2）接收机内的电路也会产生噪声； （3）连线导体上的信号电场相互耦合； （4）连线导体上的信号磁场相互耦合； （5）地环路共同阻抗的耦合； （6）电路器件辐射。,3.3 屏蔽技术,3.3.1 屏蔽的基本概念,屏蔽就是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和辐射。 具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散；用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。,屏蔽的分类,根据辐射源的频率和作用机理，屏蔽可以分为如下几类： 地磁屏蔽 大地是近似直流磁场，采用高磁导率屏蔽体。 磁场屏蔽 对静磁场或交变磁场的屏蔽，采用低磁阻（高磁导率）的屏蔽体，防止交变电场、交变磁场或交变电磁场的干扰。 电磁场屏蔽 对电场、电磁场的屏蔽，采用电导率高的屏蔽体，防止电容耦合效应、电磁感应的干扰。,电磁屏蔽的机理,（1）当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续； （2）未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减。也就是所谓的吸收；（3）在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。 总之，电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。,屏蔽可以应用于干扰源，也可以应用于检测电路。,3.3.2 屏蔽层的吸收损耗,屏蔽层的吸收损耗A是指电磁波穿过屏蔽层时能量损耗的数量，也叫穿透损失 吸收损耗计算式为： A=132t（frr）1/2(dB) t = 材料的厚度（电位：m），r = 材料的磁导率，r = 材料的电导率，对于特定的材料，这些都是已知的。f = 被屏蔽电磁波的频率。,3.3.3 屏蔽层的反射损耗,当电磁波入射到两种传播介质的交界处时，一部分电磁波被反射，另一部分电磁波穿透界面。,当电磁波穿过屏蔽层时，入射电磁波经历两次反射，形成两次衰减。,屏蔽材料的R反射损耗定义为：R=20lg（ZW/ZS）(dB)式中，Zw=电磁波的波阻抗，Zs=屏蔽材料的特性阻抗。,3.3.4 屏蔽效果,屏蔽效能SE(Shielding Effectiveness)有时候也称屏蔽损耗、屏蔽衰减、屏蔽效果，是指未加屏蔽时某一测点的场强(E0、H0)与加屏蔽后同一测点的场强(E1、H1)之比，并以dB为单位。,1、屏蔽总效果屏蔽效能的理论值由R(反射损耗)、A(吸收损耗)、B(校正因子)三项因素决定。SE=A+R+B （dB）一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB。,2、多重屏蔽多重屏蔽的原则：各屏蔽层之间不能连接在一起，其间应该隔开空气或者填充其他介质，否则就失去多层屏蔽的作用，各层屏蔽体的材质也不应该相同。除了要考虑磁导率外，还要考虑饱和电平。双重甚至更多层的电磁屏蔽在电子系统中有的必要的。有些系统设备内部电磁环境非常恶劣，使得对外壳屏蔽效能的要求也就很高。一般设备中最大的干扰源是振荡电路，这种电路应该用辅助分屏蔽体封闭后再装入系统主屏蔽体中。这些分屏蔽体和主屏蔽箱内、外屏蔽体/其他分屏蔽体之间只有一个必要的连接点，其他地方必须分开，不能连接。多层屏蔽(系统箱屏蔽体或电缆)在很宽的频段内可以提供最佳的屏蔽效果。但在多种可供选择的电磁兼容性方式中，是否选用多层屏蔽，主要由它的成本来决定。此外，电缆线采用多层编织线屏蔽后，其柔软性将降低。,