噪声干扰PCB布线与微小信号的放大.pdf

电路中干扰、噪声的应对与微弱信号的测量 摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中。噪声的来源多种多样，有来自电路之间的，有 电子元器件本身所具有的，也有来自外部环境的。这其中，又分为了好多不同种类，比如电 子元器件的噪声，有低频时的1/f 噪声，有高频的热噪声等等。本文中分别对其进行介绍。 为了消除这些噪声，从而获得正确的信号，就需要对电路采取一些措施。在PCB 布局布线时， 就有好多细节非常值得我们注意。当然，元器件的选择也是很有讲究的。当然，仅仅对噪声 干扰进行抑制并不足以达到检测微弱信号的目的，为此，在设计检测微弱信号的电路时，又 有很多重要的方法和注意点值得参考。只有做好这些，才能从噪声中得到可靠、稳定的信号。 关键词：噪声；PCB 布线；微弱信号检测 一、电路中的干扰与噪声 噪声是电路中相对于信号而言的一些干扰、无用的信号噪声干扰的产生原因有许多,如 雷击、周边负载设备的开关机、发电机、无线电通讯等。在对微弱信号处理时，噪声的影响 非常重要，必须对其采取措施，否则有用信号将淹没其中，而无法被检测到。具体到噪声来 源、噪声特点等方面，噪声有许许多多的类别，下面分别简要对其进行介绍。 1.1 低频噪声 低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。特别是碳膜电阻，其碳质材料内部 存在许多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起 电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。另外，晶体管也可能产生相似的爆裂噪声和闪 烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。 1.2 半导体器件产生的散粒噪声 由于半导体PN 结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现 出电容效应。当外加正向电压升高时，N 区的和P 区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充 电。当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。当外加反向电压 时，耗尽区的变化相反。当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小 波动，从而产生电流噪声。其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f 成正比。 1.3 高频热噪声 高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。温度越高，电子运动就越激烈。 导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的 平均总电流为零，但当它作为一个元件 (或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的 电流就会被放大成为噪声源，特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。 通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。以 一个 1kΩ 的电阻为例，如果电路的通频带为 1MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效 值为 4μV(设温度为室温 T=290K)。看起来噪声的电动势并不大，但假设将其接入一个增益 为 106倍的放大电路时，其输出噪声可达 4V，这时对电路的干扰就很大了。 1.4 电路板上的电磁元件的干扰 许多电路板上都有、线圈等电磁元件，在电流通过时其线圈的电感和外壳的分布电容向 周围辐射能量，其能量会对周围的电路产生干扰。像继电器等元件其反复工作，通断电时会 产生瞬间的反向高压，形成瞬时浪涌电流，这种瞬间的高压对电路将产生极大的冲击，从而 严重干扰电路的正常工作。 1.5 晶体管的噪声 晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。 热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT 内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而 产生。其中 rb 所产生的噪声是主要的。 通常所说的 BJT 中的电流，只是一个平均值。实际上通过发射结注入到基区的载流子数 目，在各个瞬时都不相同，因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动，会产生散粒噪 声。 由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁 噪声。它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密 度与频率近似成反比，又称 1/f 噪声。它主要在低频(kHz 以下)范围起主要作用。 1.6 电阻器的噪声 电阻噪声的来源分为两大类热噪声与过剩噪声 1.热噪声 电阻的机构以及在电路中的工作状态模式，决定了电阻在通电的的过程中必然会产生热 效应，所有的元器件都会发热。这种热效应表现为，当温度升高时候，电阻中的电导流子会 做无规则的热运动，使电流的定向流动产生起伏变化，从而形成了热噪声电流，此噪声电流 将通过电阻产生噪声电压，称为电阻的热噪声。 2.过剩噪声 现阶段业界常常使用的电