任何检测系统都存在噪声和干扰。抗干扰技术是检测系统的关键技术之一，直接影响检测系统的成败。 电路中出现的非期望的电信号称为噪声。噪声可能是无规律的信号，也可能是有规律的信号；噪声可能来自系统的外部，也可能来自系统的内部。噪声从一个地方（噪声源）耦合到另一个地方（接收电路、测量电路），这个过程称为干扰。外部干扰有电磁干扰、机械干扰、热干扰、光干扰、湿度干扰、化学干扰等；内部干扰有测量电路寄生电容、寄生电感导致的交叉干扰；绝缘不良导致的漏电；电路元器件（电阻、晶体管、FET 等）本身产生的固有噪声等。 衡量电路受干扰程度的指标是信噪比（S/N ），它是信号通路中，有用信号成分与噪声成分的比值，用分贝表示
n
s n s U U P P N S lg 20lg 10/==（单位dB ） 式中，s P ，s U 分别为有用信号的功率和电压；n P ，n U 分别为噪声成份的功率和电压。 14．1 电子器件的固有噪声及抑制措施P383
一．热噪声：
任何电阻既使不与电源相连，在它的两端也存在微弱的电压。这种电压是由电阻中电子的热运动形成的，故称为热噪声。热噪声是白噪声。热噪声的常用指标有：
1．噪声电平：kTRB U n 4=。式中，k 为玻尔兹曼常数，其值为K J /1038.123−×；T
为绝对温度；R 为电阻值；B 为频带宽度。 2．噪声功率：将上式改写成功率形式，得噪声功率kTB R U P n n 4/2==，可见噪声功率
与温度和频带宽度成正比。
3．噪声功率谱密度：kT B P n 4/=。可见，电阻的热噪声在带限范围内，对于每一赫兹具有相同的噪声功率。
4．噪声电压密度：kTR B U n 4/=（单位Hz V /）。
例：某电阻Ω=k R 750，带宽B=Hz 510，环境温度k T 300=，则
V kTRB U n μ1.3510107503001038.1445323=××××××==− 此时噪声密度Hz nV B U n /111/=。
说明：①减小R 和B 可降低热噪声干扰，在比例放大电路中应注意R 的选取。②热噪声不仅存在于电
阻中，还存在于BJT 的体电阻和FET 的沟道电阻中，这是由载流子不规则运动造成的。③噪声电压密度又称为噪声密度，还可用来评价其他电子元器件，如：美信（MAXIM ）公司的低噪声、高精度运放MAX4475~MAX4479在1kHz 处的噪声密度只有Hz nV /5.4。
二．散粒噪声
散粒噪声存在于电子管和半导体两种元器件中。在电子管中，散粒噪声来自阴极电子的随机发射；在半导体内，散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散以及电子-空穴对的随机发生及复合形成的。
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，因而引起发射极电流或集电极电流有一个无规则的波动，产生散粒噪声。散粒噪声电流为
qIB I n 2=
式中，q 为单个载流子所带电荷量的绝对值（C 1910
6.1−×）；I 为平均电流；B 为频带宽
度。
可见，散粒噪声与平均电流I 和频带宽度B 的平方根成正比，但与温度无关。噪声大小还可用噪声电流密度表示： I qI B I n 101066.52/−×==
可见，只要测出经过该器件的直流电流，就可方便地估计噪声的大小。
FET 不产生散粒噪声，这是CMOS 器件噪声低的原因。
三．1/f 噪声
1/f 噪声可认为是半导体载流子在晶体表面的产生和复合引起的，其大小与频率成反比，所以称为1/f 噪声。1/f 噪声的特点是：
①在低频中，半导体的噪声主要由它决定（比热噪声大）；
②与半导体器件的制造工艺有关，不同型号器件的噪声电压不同，同一型号器件的噪声也不相同；
③不仅存在于BJT 和FET 中，还存在于电阻等其它元件中；
④线绕电阻的1/f 噪声比金属膜电阻小，碳膜电阻的1/f 噪声最大。
四．接触噪声
接触噪声是两种材料不完全接触形成电导率起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动触点。接触噪声可用噪声电流密度表示：
f KI
B I n =/
式中，I 为平均直流电流（A ）；K 为由材料和几何形状确定的常数；B 为用中心频率f 表示的带宽（Hz ）。可见：
①接触噪声正比于直流电流，其功率密度正比于频率f 的倒数。
②高频时，分布电容和分布电感补偿接触阻抗，减少接触噪声。
可以看出，以上所述几种不同的固有噪声均与测量电路的通频带有关。频带越宽，噪声越大，因此测量电路的通频带应视被测信号而定，在电路各级或输出端加入滤波环节可减小噪声。
第14讲 成功的关键——抗干扰技术 14．2 干扰的耦合方式及抑制措施
P385 干扰信号进入工作电路的通道称为耦合通道。干扰信号的耦合方式主要有以下几种：
一．电容性耦合干扰及抑制措施 电容性耦合又称静电耦合，指两个电路之间存在寄生电容，使一个电路的电荷变化影响到另一个电路。原理见左图，图中A 为干扰导体；B 为测量电路；Z i 为测量电路的输入阻抗；C m 为分布电容。测量电路感受到的干扰电压为：
a i
m i m a i m i n U Z C j Z C j U Z C j Z U &&&ωωω+=+=11 一般C m 较小，i m Z C j >>ω/1，即1<<i m Z C j ω，故可简化为a i m n U Z C j U &&ω≈。
从干扰电压的表达式可以看出：①n U 与m C 成正比，通过合理布线，减少m C 可减小干扰；②n U 与i Z 成正比，减小i Z （需兼顾负载效应）可减小干扰；③n U 与ω成正比，高频噪声干扰严重；④n U 与a U 成正比，高电压小电流干扰主要通过电容性耦合实
现；⑤干扰为电压方式，采用电流传输可避免干扰。
(a)实际电路 (b)等效电路 图 电容性耦合的等效电路 图 受电场耦合干扰的仪器
例 在右图所示电路中，设pF C m 01.0=，V U a 5=，MHz f 1=，运放的放大倍数100=A ，Ω=k Z i 100，试估计干扰对测量的影响。
解：mV V U Z fC U a i m n 4.315101.01001.010226126=××××××==−ππ
V U U n o 14.3100==（此时1<<i m Z C j ω）
抑制静电耦合的办法是静电屏蔽，用金属材料制成封闭罩，把测量电路与干扰源隔离开来。左图为屏蔽罩接测量电路的情况，右图为屏蔽罩接大地的情况，两种方法均能起到屏蔽的效果（图中A
为干扰源，B 为测量电路，C 为屏蔽罩）。
A B C +-
-
-++++++
(a)屏蔽罩包围干扰源 (b)屏蔽罩包围测量电路
图 屏蔽罩接测量电路的电场屏蔽 图 屏蔽罩接大地的电场屏蔽
[讨论] 将手机放在封闭金属饭盒里，不加任何接地也能导致手机接不到电话，是何原因？
二．互感耦合干扰及抑制措施
互感耦合又称为电磁耦合，指由于两个电路之间存在互感，使得当一个电路的电流
变化时，通过互感耦合干扰另一电路，原理见左图。图中a
I &为干扰源电流；M 为互感。易知a I &造成的干扰电压为a
n I M j U &&ω=。 从干扰电压的表达式可以看出：①U n 与I a 成正比，大电流低电压干扰源对测量电路的干扰主要通过互感耦合实现；②U n 与ω成正比，高频噪声干扰大；③U n 与M 成正比，宜避免信号线与干扰线平行布线，以减小M ；④U n 与U s 串联迭加，所以采用电流传输可避免干扰；⑤U n 与R i 无关，即减小R i 不能减小干扰电压。
图 互感耦合干扰示意图 图 交流电桥的互感耦合干扰 例 在右图所示电路中，设mA I a 10=，kHz f 10=，H M μ1.0=，试估算干扰大小。 解 V fMI U a n μππ8.621010101.01022364=×××××==−−
可见，测量电桥的输出电压中叠加了62.8μV 的干扰电压U n ，严重影响了测量精度。并且，由于导线
A 存在位置变动等因素，干扰电压U n 本身也是不稳定的。
抑制互感耦合的干扰，可以采用磁场屏蔽的方法。对于高频磁场干扰，可以采用导电率高的材料，利用涡流效应阻碍干扰磁场穿透屏蔽罩，减弱干扰磁场对测量电路的影响。屏蔽效果随干扰源的频率升高及屏蔽罩的厚度增加而显著。磁场屏蔽并不要求屏蔽罩接地。但在一般应用时，可将屏蔽罩接地，这样屏蔽罩同时起到电场屏蔽的作用，因而称为电磁屏蔽。
对于低频磁场的干扰，一般采用磁导率高的材料(如坡莫合金或铁等)制成屏蔽罩，见下图。由于屏蔽罩C 的磁导率远远大于空气的磁导率，能把干扰源发出的磁力线短路，因而能阻隔干扰源A 对工作电路B 的干扰。一般这样的屏蔽罩应有一定厚度，以减小磁阻。对于对屏蔽效果要求高的场合，还可采用多层屏蔽。
图 低频磁场干扰的屏蔽
三．共阻抗耦合干扰及抑制措施
若电路的几个回路之间存在公共的阻抗，则一个回路中电流的变化会在公共阻抗上造成电压的变化，从而造成与公共阻抗相连的其他回路的干扰。这种干扰的耦合方式称为共阻抗耦合。常见的共阻抗耦合主要有以下几种形式：
1．电源内阻抗耦合
左图中，当用一个内阻为r的电源U对A、B两部分电路供电时，任何一部分电路的电流I a，I b变化都会在公共阻抗r上产生干扰电压，造成对其他电路的干扰，图中U n 为干扰电压叠加的结果。
(a)RCΠ型退耦滤波电路(b)LCΠ型退耦滤波电路
图存在电源内阻抗耦合的电路图电源退耦滤波电路
抑制电源内阻抗干扰的方法是对每一部分电路(A和B)分别加入电源滤波环节，一般称为电源退耦滤波电路。见右图。图(b)用电感取代了图(a)电阻，因此滤波效果更好。而且电感的直流电阻小，可用于功率较大的场合。但应注意LC电源退耦有谐振频率，在这个谐振频率上，经滤波器传输过去的信号，比
没有滤波器时还要大。因此，应将这个谐振频率取在电路的通频带以外。此外，为防止电源上电时LC滤波网络产生浪涌过冲电压烧坏其他电路，还应在滤波输出端加入限幅保护电路。
在滤波电路中，所用电容的容量一般较大，常用电解电容。由于电解电容在高频时等效电感不能忽视，所以需并联高频特性好的非电解电容，一般容量较小。
2．共地线耦合电压跟随器电路图
地线可分为两大类，即实际地和参考地。实际地就是地球的大地；参考地不一定为大地。仅为电路中的基准电位，又称为电源地，如单电源的负端或双电源的公共端。
左图中，由于地线上存在分布阻抗(分布电阻、分布电容、分布电感)，各部分电路流回电源参考地的电流在地线上产生干扰电压，使各电路地电位相互影响，造成地电位不准。由于分布参数多为电抗；因此，频率愈高，干扰愈明显。
图存在共地线耦合干扰的电路图采用一点接地的电路抑制地线上的共阻抗耦合，方法是把各部分电路的地线分别引至电源参考地端再进行汇合，这一做法称为“一点接地”，见右图。
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