第三讲低噪声电路的抗干扰技术

1、微弱信号检测理论与应用微弱信号检测理论与应用第三讲第三讲 低噪声电路的抗干扰低噪声电路的抗干扰技术技术3.0 引言 是指有用信号以外的噪声或造成放大电路不能正常工作的破坏因素。 干扰无处不在干扰无处不在 干扰源干扰源 传播途径传播途径 干扰对象干扰对象 就是通过对这三要素中的一个或多个采取就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。必要措施来实现的。3.1 环境干扰噪声环境干扰噪声 干扰噪声源干扰噪声源 干扰噪声的频谱分布干扰噪声的频谱分布3.1.1 干扰噪声源干扰噪声源l1、电力线噪声、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

2、 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。l2、电气设备噪声、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

3、，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

4、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、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

5、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 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

6、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 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100-200MHz。宇宙干扰影响最大的频段是20-500MHz。 7、机械起源的噪声、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

7、。 (4)颤噪效应 “电容效应” 8、其它噪声源、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 干扰耦合途径干扰耦合途径 传导耦合 公共阻抗耦合 电源耦合 电场耦合

8、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 公共阻抗耦合是由于干扰源与敏感部位共用一个线路阻抗而产生的。 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。公共阻抗 例：下图， Rcm是模拟系统和数字系统的公共接地线的电阻

9、。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u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

10、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

11、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R10MHz)电路。ICICICICICICICICICICICICICICICIC电源输入电容 3、混合接地 混合接地是将那些只需高频接地点，利用旁路电容和接地平面连接起来。但应尽量防止出现旁路电容和引线电感构成的谐振现象。 例：混合接地系统4、接地电阻 接地电阻越小越好 接地电阻会引入差模

12、干扰和共模干扰3.5.3 放大器输入信号回路接地 如果放大器电路存在多个接地点，它们之间的地地位差就由可能耦合到信号回路，形成噪声。放大器输入电路 R1和R2为导线电阻，Rs为信号源内阻，RG为地线电阻，Ri为放大器输入电阻。 uG在放大器的输入端产生的噪声电压： 如果R1=R2=1W， Rs=500W ，Ri=10kW，RG=0.01W， uG 1mV，则un 0.95mV。 解决方法：单点接地、差动放大、平衡差动放大。)(12221siGGsiinRRRRuRRRRRRRu 1、单点接地 2、差动放大 当RGRs+R1，Ri2R2，un趋于零。GiisiiBnAnnuRRRRRRRuuu)

13、(222111 定义： 所谓平衡电路，是指输入电路的两个支路具有相同的阻抗，且对地阻抗也相同。 这样使两个支路感应的噪声相同，在差分输入放大的输入端噪声就相互抵消。 平衡差动放大电路us1=us2，Rs1=Rs2，R1=R2。对地的分布阻抗相同。这样信号源、传输线、放大器都是平衡的，地电位ug在放大器输入端只产生共模噪声，不产生差模噪声。 4、防护屏蔽 当差动放大器的信号输入电路不完全对称平衡，共模干扰在差动放大器额两个输入端A点和B点产生的噪声电压将会不同，在放大器输出端产生噪声。如果将放大器的地、放大器屏蔽罩以及传输线的屏蔽层接到某一防护电位ug，而不是接到仪表端的地，则共模噪声uG只产生

14、共模输入，而不产生差模输入，这就是防护屏蔽。 A、B两点之间的电压：sgGBAABuZZZuuZZZZZZuuu111222111)( (1)如果Z1=Z2， Z1=Z2，uG对uAB无影响， 平衡式电路。 (2)如果uGug ， uG对uAB无影响，这是传感器接地、放大器浮空式防护屏蔽。 (3)令ug (uA +uB)/2，这时有： A、B两点之间的电压变换： 这时， uAB不再是u G的函数， uG对uAB无影响，称之为防护屏蔽。)/()/()/(222111111ZZZZZZZZZuugG2/ )/(12211ZZZZuuuusBAAB3.6 其它噪声抑制技术其它噪声抑制技术 隔离 纵向

15、扼流变压器 信号线和电源线滤波3.6.1 隔离1、变压器隔离如果相隔一定距离的电路两端都接地时，很容易形成接地环路，形成环路电流。利用变压器很容易将环路断开。变压器隔离2、光电耦合隔离光电耦合器件是把发光器件(如发光二极管)和光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。光电耦合器特性(1)光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。(2)光电耦合器的输入回路与输出回

16、路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。(3)光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。(4)光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10s左右，适于对响应速度要求很高的场合。应用1应用23、隔离放大器隔离隔离放大器是一种输入电路和输出电路之间电气绝缘的放大器，一般采用变压器或光耦合传递信号，在工业控制、信号测量和医疗器械,信号放大等各个方面获得广泛应

17、用。实用于电信，电力，石油，石化，环保，水处理，冶金，食品，暖通空调等领域。（1）组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso 隔离模式： 两端口隔离：输入部分和输出部分欧姆隔离 三端口隔离：信号输入部分、输出部分和功率供给部分相互欧姆隔离。 根据隔离方式不同可分为： 变压器隔离放大器，如两口隔离的AD204、三口隔离的AD215等； 电容隔离放大器，如ISO106, ISO122； 光电隔离放大器，如HCPL-7840 。二端口隔离结构三端口隔离结构 特点输入回路与输出回路之间是电绝缘的 信号传递的主要方式 1. 电磁耦合 2. 光电耦合 3.电

18、场耦合（2）原理框图a) 变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV二极管 二极管型二极管 三极管型（3）光电耦合隔离放大器光敏二极管IoIiIiIo发光二极管发光二极管光敏三极管 光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件b.非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真 克服非线性失真通常采取的措施a. 给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。b. 采用负反馈技术。光电隔离放大器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：光电耦合放大电路 光隔离放大器属于二口隔离放大器，输入部分和输出部分必须分别供电。变压器隔离方法只需要在输出部分供电，利用功率转换的方法向输入部分供电。变压器隔离放大器有二口隔离和三口隔离两种形式。放大器原理图（4）变压器隔离放大器+-1A调制器隔 离电 源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuIW Wk100CCV +-1A调制器隔 离电 源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuIW Wk100CCV 调 制给输入侧提供能量两侧电源独

20、立解 制输入、输出侧间电气绝缘变压器隔离放大器AD215原理图和引脚例：隔离放大电路 235L电源904510增益微调用100k277JUoRLUi100kR21M9.9k100限幅电路10k10k1k235L电源 15V15V10010F10010F100220V50Hz23495161N41481N753A121116141510R3R4R1-+C0.1F（5）电容耦合隔离放大器 电容耦合隔离放大器是隔离放大器中又一个品种。 BB公司(TI收购)出品的电容耦合隔离放大器种类繁多： 电容耦合密封型缓冲隔离放大器,如ISO102、ISO106、ISO120B、ISO121B、ISO122等;

21、内部带有隔离电源的电容耦合隔离放大器,如ISO103、ISO113、ISO107等; 电容耦合电压/频率转换隔离放大器如ISO108、ISO109等。电容耦合隔离放大器原理 输入级包含一个放大器、一个振荡器及一个调制器。 输出级包括一个解调制器，一个放大器。 调制( modulation)与解调 在隔离放大器输入级对信号进行幅度或脉宽调制；在输出级从被调制过的信号中取出原输入级的信号，使原先从输入级来的信号回到其原有的形式。信号调制ISO124P的框图3.6.2 纵向扼流变压器 如果电流中需要通过直流分量或低频信号，变压器隔离的方式就不能使用。此时可以采用纵向扼流变压器。 遏制共模干扰，对信号

22、电流呈现低阻。 共模扼流圈由两个共磁芯的电感组成。当两个不同方向的电流流过共模扼流圈时，两个线圈产生方向相反的磁场，磁场相互抵消，因此线圈两端表现出零阻抗。但当共模电流流过扼流圈时，两个线圈会产生方向相反的磁场，磁场相互加强，因此线圈两端表现出高阻抗。正是由于具有这种特性，共模扼流圈能显著减少噪声。 采用扼流圈有如下好处： 扼流圈不仅能传输交流信号，而且也能传输直流信号； 扼流圈对地线中较高频率的干扰有强的抑制能力； 扼流圈能抑制所传输的较高频率的信号对其他电路单元的干扰。3.6.3 信号线和电源线滤波信号线滤波器信号线滤波器 1、穿芯电容滤波器 在处理穿越屏蔽体的引线端子时可以采用穿芯电容来构成共模电容滤波器，通常也将之称做馈通滤波器。 馈通型滤波器安装在金属面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金属面板隔离滤波器的输入和输出，因此滤波器具有非常好的高频滤波效果。适应屏蔽体。 馈通滤波器的电路结构分为C 型（穿心电容）、L