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通信电子电路的噪声干扰及其克服方法毕业设计论文
目录
摘要：
1
0前言1
1噪声和干扰1
1.1噪声和干扰的定义1
1.2电子电路中噪声干扰的危害2
1.3噪声和干扰的来源2
1.4电阻热噪声、几种晶体管噪声及其他噪声2
2噪声干扰的量度2
2.1信噪比2
2.2噪声系数3
2.3噪声温度3
2.4分贝单位3
3噪声干扰的路径3
3.1噪声的传导耦合4
3.2噪声的静电耦合4
3.3噪声的公共阻抗耦合4
3.4漏电流耦合4
4噪声干扰的克服方法5
4.1通过对噪声源的抑制来克服噪声干扰5
4.2通过对路径的控制来克服噪声干扰5
4.3通过处理接收方来减小噪声干扰5
4.4其他克服噪声干扰的方法6
5结论12
参考文献12
通信电子电路的噪声干扰及其克服方法
摘要：
电子电路中存在多种类型的噪声，噪声过大会影响电路正常工作，必须加以抑制。
电路中元器件内部噪声是显著因素，外部噪声也会产生一定的影响。
总之，各种噪声具有不同的内部机理，不同的抑制措施。
正文第一部分是讲述噪声的定义，特性及其产生的原因和噪声的度量；第二部分是探讨噪声的干扰路径，第三部分是解决如何将噪声产生的影响降到最低，使电路的工作更加的顺畅。
关键词：
噪声；干扰；克服方法
CommunicationElectronicsCircuitoftheNoiseandOvercomeMethod
Abstract:
Therearemanytypesofelectroniccircuitsofthenoise,Noisewillaffectthenormalworkmustbecurbedcircuit.Circuitcomponentsinternalnoiseissignificantfactors,externalnoisealsocanproducecertaineffect.Anyhowallnoiseshavedifferentinternalmechanism,differentcontrolmeasuresTextthefirstpartistheclassification,characteristicsaboutnoiseandtheircausesandnoisecoefficientcalculation,Thesecondpartistostudyhowtoovercomethesedisadvantageousshouldfactor,noisetominimizetheinfluenceofthework,ismoresmoothlycircuit.
Keywords:
Noise;interference;Overcomemethod
0前言
随着人们生活水平的提高，各种家电，电话、手机、电视等，逐渐进入普通百姓家庭，成为人们日常生活不可或缺的生活必需品。
其中电子电路在其中起到了重要的作用，而在电子电路中的噪声干扰问题也一直都是一个有待解决和深入研究的问题。
噪声会严重影响通信的质量和精确度，而在通信电子电路中的噪声干扰是多方面的，本文就几种常见的噪声干扰进行分析，使之从根本上认识噪声和干扰，又对如如何消除和减弱其干扰做出回答。
1噪声和干扰
1.1噪声和干扰的定义
噪声被看做一种幅度和频率都是随机变化的信号，干扰是指外部因素对系统施加影响而造成的随机效果。
噪声和干扰与弱信号的接收密切相关，他们限制了高频放大器所能放大的最小信号，因而使接收机的灵敏度有一个极限值。
干扰和噪声可能来源于接收系统的外部，也可能来源于系统的内部，但是都表现为干扰有用信号的某种不期望的扰动。
所以在通信电子电路中我们经常把系统内部和外部的无规则的起伏扰动对电路的接收引起的不良影响称为噪声干扰。
1.2电子电路中噪声干扰的危害
电子设备的运行环境决定了其本身的、人为的、自然产生的噪声而通过各种途径进入运行路线而产生干扰即噪声干扰,从而影响电子设备的正常运行。
典型的噪声干扰存在于电子设备放大电路中,这种弱电系统具有高灵敏度特点,从而轻易受到外界和本身内部一些无规则信号的影响而干扰运行。
若在放大器中无噪声干扰的可能,那么其不论有效信号多么弱小,总能够用高倍数放大器或者采用多级放大的形式将信号放大到我们的设计值。
但由于噪声干扰的存在,这样经放大器放大的有效信号和噪声信号同时存在,在输出端有效信号将被淹没,有效信号分量与噪声信号分量就不能清楚分辨,将妨碍对有效信号的测量和观察。
典型的例子就是在有线电视终端接收中,噪声干扰将使接收图像呈雪花干扰,伴音呈噪声,直接影响图像和伴音质量。
且在多级放大器中,噪声将通过放大不断叠加,将使电子设备噪声干扰更加严重。
因此,对电子设备噪声干扰对电子设备的危害是十分严重的。
1.3噪声和干扰的来源
噪声产生的原因是多种多样的，在实际应用中主要有以下几种：
1.3.1自然界的放电噪声
宇宙射线、太阳黑子、雷电及大气因素产生的各种放电现象都称为自然界的放电噪声。
1.3.2物质本身的固有噪声
如固体由于其本身的物理性无规则运动形成噪声。
固体噪声可分为3种：
热噪声、散粒噪声及接触噪声。
热噪声是电阻性器件中电子的热扰动因温度变化而产生其具有白噪声特性，其功率频谱分布均匀，它的瞬时幅值按高斯分布呈现，且均值为零。
散粒噪声是由于电子器件的电子或空穴随机发射时其电流平均值变化所致，其噪声也呈现为白噪声特性。
接触噪声是由于材料之间不完全接触造成的电导率变化产生的，如继电器接口或接插件的不良接触及电位器的不良接触等，这种噪声具有1/f特性。
1.4电阻热噪声、几种晶体管噪声及其他噪声
1.4.1电阻热噪声
电阻热噪声的定义：
我们把因为电子热运动过而产生的随机起伏的电压称为电阻热噪声或热噪声电压。
电阻热噪声在一定的温度下，电阻导体内部的自由电子因受到热激发而做不规则的热运动。
由于运动过程中会发生碰撞使得每个电子运动的方向和速度都随时间无规则的变化，因而通过导体任一截面的电子数将时多时少起伏不定，这样就在导体内部形成随机起伏的电流，该电流流过电阻导体本身，便在电阻两端产生随机起伏的电压其波形示意图1如下：
图1：
热噪声电压波形
电阻热噪声是一个随机量，其幅度和极性是随时间无规则的变换的，所以不能用一个确定的函数表示，但是它确遵守统计学规律。
热噪声的特性图如图2所示：
图2：
电阻热噪声特性图
高频热噪声对工作在高频频段内的电路对影响尤甚。
由于导体内部的结构、杂质含量都不一样，其内部产生的电流和电动势也不一样。
而很多放大电路在设计时由于对电压放大的需要，往往要求较高的输入阻抗和较高的响应度。
因此在一定情况下会使这种电动势得到放大。
通常在电子线路的工作频率内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路的热噪声的影响就越大。
另外从（图2）可以看出电阻热噪声具有极宽的频谱，其包含的频率分量从0频开始直到
Hz以上，虽然热噪声的电压的振幅频谱无法确定，但是其功率频谱完全可以确定。
其在单位频带上电阻两端的噪声电压均方值为：
S（f）=4kTR（V2/Hz）式中T为热力学温度，k为波尔兹曼常数。
因为电压均方值可以看作该电压在1欧姆电阻上所消耗的平均功率，所以S（f）通常也称为电阻热噪声的功率谱密度。
电阻热噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度。
所以又把工作频带内功率谱密度分布均匀的噪声称为“白噪声”，而把功率谱频率变化的噪声称为“有色噪声”。
而电阻热噪声是属于“白噪声”。
由（图2）可知尽管电阻热噪声的频谱很宽，但是实际上在测试接收系统中的频带是有限的。
当电阻接入系统时，将对电阻热噪声进行滤波，只有位于通频带内的那一部分噪声功率才能对系统产生影响。
1.4.2几种晶体管及其噪声
在电子电路中晶体管主要包括晶体二极管，三极管和场效应管。
晶体二极管：
二极管是一种具有单向导电性的二端器件，有电子二极管和晶体二极管之分，我们主要了解晶体二极管的特性。
晶体二极管是由一个p型半导体和一个n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑制抵消使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
P-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。
下图（图3）是硅二极管的伏安特性曲线：
图3：
硅二极管的伏安特性曲线
晶体二极管的噪声主要包括
（1）热噪声：
当载流子通过电阻输运时，由于热运动的无规性，载流子的速度及其分布将会出现起伏，从而就会产生出电流的涨落和相应在电阻上的电压涨落，这就是热噪声。
这种噪声在任何电阻器件上都会产生，而p-n结在小信号工作时具有一定的交流电阻，所以也就必然存在热噪声。
这种噪声的大小既与温度有关，也与电阻的大小有关。
由于p-n结的正向交流电阻很小，而反向电流又很小，所以热噪声也很弱（噪声均方根电压仅大约为4nV）。
热噪声的频谱密度与信号频率无关（即各种频率的噪声功率相同），也是一种白噪声。
（2）散粒噪声：
这种噪声是指通过p-n结的电流及其之上电压的一种涨落效应，它在大多数依靠p-n结来工作的器件中往往是主要的噪声成分。
由于越过p-n结的少数载流子将会不断遭受散射而改变方向，同时又会不断复合与产生，因此载流子的速度和数量将会出现起伏，从而造成通过p-n结的电流和相应其上的电压的涨落，这就是散粒噪声。
通过p-n结的电流愈大，载流子的速度和数量的起伏也愈大，散粒噪声电流也就愈大。
散粒噪声与热噪声具有相同形式的关系式，因此散粒噪声也与频率无关（即为白噪声，在低频和中频下的确如此）。
但在高频时则与频率有关。
散粒噪声在少数载流子工作的半导体器件（双极型器件）中起很大作用。
（3）闪变噪声（1/f噪声）：
这是一种在低频（<1000Hz）下具有很大影响的噪声；其来源很可能是半导体内部或者表面的各种杂质、缺陷等所造成的一些不稳定性因素。
因为这些因素（主要是表面态）对载流子往往起着复合中心的作用，而复合中心上的载流子数量由于外电场或气氛等的影响会产生起伏，这就将引起复合电流、并从而整个电流的涨落，这也就是闪变噪声。
这种噪声的电流均方值与交流信号频率f之间近似有反比关系。
正是闪变噪声与频率近似具有反比的关系，所以也就常常称这种噪声为1/f噪声。
这种噪声在以半导体表面薄层作为有源区工作的器件中往往起着重要的作用。
三极管：
三极管的基本结构是两个反向连结的PN接面，可有pnp和npn两种组合。
三个接出来的端点依序称为发射极（emitter,E）、基极（base,B）和集电极（collector,C）。
在没接外加偏压时，两个pn接面会形成耗尽层，将中性的p区和n区隔开。
三极管在电子电路中的地位是十分重要的，他是电子电路的核心元件。
三极管工作状态有三种，放大、饱和、截止，其中又以放大状态最为复杂，主要用于小信号的放大领域。
（1）热噪声：
这是由于载流子的热运动而产生的电流起伏及其在电阻上产生的电压起伏。
因此，热噪声既与温度T有关，也与电阻R有关。
与二极管的热噪声产生的机理基本相同。
（2）散粒噪声：
这是正偏p-n结注入的少数载流子，由于不断遭受散射而改变方向，同时又不断复合、产生，所造成的一种电流、电压起伏所产生的。
p-n结注入的电流愈大，载流子的速度和数量的涨落也愈大，则散粒噪声也就愈大。
散粒噪声与热噪声具有相同形式的表示式，它也是一种与频率无关的白噪声。
p-n结注入的电流愈大，载流子的速度和数量的涨落也愈大，则散粒噪声也就愈大。
散粒噪声与热噪声具有相同形式的表示式，它也是一种与频率无关的白噪声。
对于晶体管，发射结和集电结都存在散粒噪声。
在共基极组态中，输入端的散粒噪声电流与发射极电流IE成正比；在共发射极组态中，输入端的散粒噪声电流与基极电流IB成正比；而输出端的散粒噪声电流与集电极电流IC成正比。
（3）闪变噪声（1/f噪声）：
主要是来自于晶体缺陷、表面态或表面不稳定性所引起的复合电流的涨落，其噪声电流均方值与频率f的α次方成反比，α值对同一种半导体而言是确定的，一般为0.8~1.5。
为了降低1/f噪声，就需要提高晶体材料的质量和改善工艺过程等；通过采取一些措施后，可以把1/f噪声控制到很小。
而且闪变噪声只在低频时起作用。
场效应管：
场效应管是根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件。
场效应管场效应晶体管（FieldEffectTransistor缩写（FET））简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件.。
它具有具有输入电阻高（100MΩ～1000MΩ）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽、热稳定性好等优点。
1.4.3低频噪声和电路板上电磁原件的干扰
低频噪声产生原因虽然目前还没有定论，但很多理论认为是由于电阻在制造过程中，由于内部的导电微粒不连续造成的。
特别是碳膜电阻，其内部的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类似的爆裂噪声和闪烁噪声（1/f），其产生的机理和电阻中微粒的不连续性相近，也和晶体管的参杂程度有关。
下面分别为爆裂噪声波形图和低频噪声波形图：
图4：
爆裂噪声波形
图5：
低频噪声波形图
另外在许多电路板上都有继电器、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的电磁能量，其能量会对周围的电路产生干扰。
而象继电器等元件是反复工作的，其在通、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。
2噪声干扰的量度
噪声系数、噪声温度和信噪比都是衡量线性电路本身噪声性能的指标。
下面将分别简单介绍这三种指标的定义。
2.1信噪比
信噪比的概念首先是在无线电通信中提出来的。
接收机输出功率可分成两部分：
信号功率和噪声功率。
理论上和实践中经常要考虑信号功率与噪声功率的比值，这个比值就叫做信噪比，通常用η表示η=信号功率/噪声功率=S/N，譬如在测量中经常把（μ2/σ2）作为信噪比，这里μ是质量特征值的平均值σ是样本方差。
通常把这些量取常用对数再放大10倍作为信噪比，仍记为η，但这时的单位是分贝（dB），把μ说成为信噪比的分贝值。
譬如信噪比这个量，通常都是越大越好。
2.2噪声系数
实际电路的输入信号通常混有噪声。
为了说明信号的质量，可以用信号功率S与其相混的噪声功率N之比（即S/N）来衡量，并称比值S/N为信噪比。
显然，信噪比越大，信号的质量越好。
线性电路的噪声系数Nf定义为：
在标准信号源激励下，输入端的信噪比Si/Ni与输出端的信噪比So/No的比值，上述定义中标准信号源是指输入端仅接有信号源及其内阻Rs，并规定该内阻在温度T=290K时所产生的热噪声为输入端的噪声源。
噪声系数通常也用dB表示：
Nf（dB）=10lg（No/KpNi），其中Kp是功率增益。
2.3噪声温度
噪声温度也是一种衡量线性电路本身噪声性能的指标。
如果将线性电路输出端的噪声功率ΔNm除以额定功率增益Kpm后折算到输入端，并且用信号源内阻Rs在假想温度Tn时所产生的额定噪声功率来等效，于是有噪声的电路就可以看成一个理想的无噪声电路，则称这个假想温度Tn为线性电路的等效噪声温度或简称噪声温度。
显然，电路内部噪声越大，噪声温度越高，反之则越低。
源内阻Rs在Tn时产生的额定噪声功率Nim=kTnBn，根据Tn的定义则有：
有:
NimNm/Kpm=kTnBn.则Tn可表示为:
Tn=Nm/KpmBnk噪声温度可噪声系数之间可以互换，可得:
Nf=1+Tn/T.表明对理想的无噪电路，由于Nf=1，故其噪声温度为零。
Nf越大，电路的噪声温度越高。
噪声温度和噪声系数都能用来表征电路的噪声性能。
通常，当电路内部噪声较大时，采用噪声系数比较方便。
而对于低噪声器件和低噪声电路，在衡量或比较它们的噪声性能时，则用噪声温度比较合适，比如有两个低噪声放大器，其噪声系数分别为1.05和1.025，噪声性能似乎相差不大，但用噪声温度表示时，则分别为14.5K和7.25K，即相差一倍，可见，在低噪声场合用噪声温度，其噪声性能的差异反映在数量变化上比较明显。
2.4分贝单位
比值
1/10000
1/1000
1/100
1/10
dB数
-80
-60
-40
-20
比值
2
3
5
dB数
3
6
9.5
14
在电子工程中最常用到的一个单位是分贝（dB），它的定义是两功率之比再取对数，即为分贝（B）作为单位。
但是在应用上为了处理方便，取分贝的1/10为辅助单位，称为分贝（dB）。
3噪声干扰的路径
形成电磁噪声干扰有三个因素：
即噪声源、耦合通道以及接收噪声的电子电路。
上面我们已谈到噪声源。
下面谈一下噪声的耦合方式，即通道。
噪声的主要耦合方式,即通道的性质有以下四种:
传导耦合、静电耦合、经过公共阻抗的耦合、漏电流耦合、远场辐射耦合。
3.1噪声的传导耦合
经导线传播的噪声进入电子电路谓为传导耦合。
一般来说,信号电路的长线可能受到空间电磁场的影响而在导线中产生噪声电压。
而交流电源线的负载较多,如大功率高频电炉、各种旋转电动机等,由它们产生的噪声通过供电电网会传导到其它电子设备中去,形成噪声干扰。
3.2噪声的静电耦合
静电耦合又称电容性耦合。
它是由于两个电路之间存在有寄生电容,使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。
静电耦合的等效电路如图6：
图6：
静电耦合等效电路
在静电耦合中。
在频率很高的射频段,静电耦合干扰最严重。
而且当降低接收电路的输入阻抗时可以减小静电耦合干扰
3.2.1电磁耦合
电磁耦合是由于两个电路存在有互感,使一个电路的电流变化,通过磁交链影响到另一个电路。
图中In表示噪声电流源,M表示两个电路之间的互感系数,UN表示通过电磁耦合在被干扰电路感应的干扰电压。
设噪声源的角频率为ω,由交流电路和等效电路可得:
图7：
电磁耦合等效电路图
另外电磁耦合还有以下特点：
干扰电压UN正比于噪声源的角频率ω；干扰电压UN正比于互感系数M；干扰电压UN正比于噪声电流In；
3.3噪声的公共阻抗耦合
共阻抗耦合是由于两个电路共有阻抗,当一个电路中有电流流过时,通过共有阻抗便在另一个电路上产生干扰电压。
在一般情况下,共阻抗耦合可用下图8所示等效电路图表示。
图中zc表示两个电路之间的共有阻抗In表示噪声电流源Un表示被干扰的感应电压。
由等效电路可知Un=In+Zn阻抗耦合干扰电压Un正比于共阻抗Zn和噪声源电流In。
图8：
公共阻抗耦合等效电路
3.4漏电流耦合
漏电流耦合是由于绝缘不良,由流经绝缘电阻的漏电流所引起的噪声干扰。
一般情况下的漏电流感应可用下图所示等效电路表示。
图中En表示噪声源电势，R表示漏电阻，Zt表示被干扰电路的输入阻抗，Un表示干扰电压。
由下图9可知漏电流耦合干扰经常发生在下列情况：
（1）当用仪表测量较高的直流电压时；
（2）在测量装置附近有较高的直流电压源时；（3）在高输入阻抗的直流放大器中。
图9：
漏电流耦合等效电路
3.5辐射耦合
如果电测设备周围存在辐射电磁场,那么在电测设备和连接的导线中会产生正比电场强度E的感应电动势,这个电动势会对电测设备测量带来干扰。
这就是辐射干扰。
通常从干扰源到被干扰点的途径是多种多样的,噪声源也是多方面的,有时干扰是时隐时现的。
4噪声干扰的克服方法
抗干扰是一个非常复杂、实践性很强的问题，一种干扰现象可能是由若干因素引起的。
因此，在电子电路的设计中，我们应采取抗干扰措施，对电子电路的工作原理、具体布线、屏蔽、电源的抗扰动能力、系统地处理以及防护形式不断改进，提高电子电路的可靠性和稳定性。
目前主要从噪声干扰源，噪声干扰传播途径和接受端来克服和减小噪声对电子电路噪声的不良影响。
4.1通过对噪声源的抑制来克服噪声干扰
4.1.1合理的选择器件
在低频段，晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题，噪声较大。
而结型场效应管因为是多数载流子导电，不存在势垒区的电流不均匀问题。
而且栅极与导电沟槽间的反向电流Ig产生的散粒噪声很小。
故在中、低频的前级电路中采用场效应管不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。
另外如果需要更换晶体管等半导体元件，一定要经过对比选择。
本人曾在修理一台功放机功放管时，由于一时找不到相同型号的管，只能用参数相近的代用管代替。
结果焊好后发现，其音质比原来差。
经过调整静态参数后仍有杂音。
最后只能通过对比找出效果最好的管，才解决了问题。
其实型号相同的半导体器件参数也是有差别的。
同样，电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的，金属膜电阻的噪声比碳膜的要小。
特别是在前级小信号输入时，可以考虑用噪声小的金属膜电阻。
4.1.2采用优质的电源
电源对整个电路的工作状态影响极大，电源选择不好，轻则使电路静态工作点偏移，重则将会给整个电路带来冲击和干扰。
选择电源一般要求是：
使输出的直流，不受输入电网电压的波动或负载变化的影响。
直流电源整流后的脉动波形经过滤波后脉动小，电流线平滑。
电源必须有足够的功率富余量，以保证电源的工作稳定。
为保证电源的稳定性和可靠性，在条件允许的情况下最好尽量采用开关电源或数字电源。
4.1.3对电路合理的布局
合理的电路布局可以减少不同工作频段电路之间的相互干扰，同时也使对干扰信号的滤除变得相对简单。
电路布局的基本原则是按电路的功能单元进行分布。
在电路布局设计时，必须要考虑好电路的电磁兼容性，要充分考虑元器件之间的相互影响。
对敏感的元件要实行隔离保护，特别是可能造成相互干扰的元件不要离得太近，要尽量将其分开。
逻辑电路和线性电路也要分开。
对易受干扰的最好是用屏蔽层进行屏蔽。
对继电器等能产生电磁能量的元件要尽量远离容易被干扰的功能单元和敏感元件，同时也应对其进行屏蔽隔离。
对电流较大的印制线路板要加大电源线宽度以减小环路电阻对电路的。
对容易受分布电容影响的如高频电路等部位，要合理配置退耦电容，以减小和消除分布电容的影响。
4.1.4抑制和减少输入端偏置电路的噪声
输入端偏置电路噪声一般是由输入端偏置分流电阻产生的。
当流过偏置电阻的直流电流过大时就会使能量过剩从而产生电流噪声。
如果选择好适合的偏置电路，噪声就可以通过旁路电容短接入地，可以抑制噪声输出，减小对下一级电路的影响。
图10：
:
抑制偏置电路噪声的电路
4.2通过对路径的控制来克服噪声干扰
4.2.1选择合理的接地点
低频线性电路的电路板的接地一般都是采用公共的单点接地。
虽然理论上电势都为零，但由于导体电阻的存在，其参考零点的电势是存在微小差别的。
既然存在电势差，就有可能在小范围内存在小的电流。
这种小电流的存
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