电子电路的噪声研究毕业论文(编辑修改稿)

电子电路的噪声研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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。 (2)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、基极和集电极。 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。 ： 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。 ： 这是 正偏 pn结注入的少数载流子，由于不断遭受散射而改变方向， 5 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。 PN 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。 PN 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。 （ 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的次方成反比， α 值对同一种半导体而言是确定的，一般 为（ ～。 ） 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。 (3)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（ Field Effect Transistor 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～ 1 000MΩ）、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。 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。 如图 35所示，为爆裂噪声波形图和 36 低频噪声波形图： 6 图 35 爆裂噪声波形 图 36 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] 4 噪声的量度 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 (μ 2/σ 2)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。 7 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。 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Δ Nm 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 :Nim Nm/Kpm= 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/，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 ，噪声性能似乎相差不大，但用噪声温度表示时，则分别为 ，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。 分贝单位 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）。 [5] 8 表 分贝比值 5 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六种 :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。 噪声的耦合方式 噪声的耦合方式主要有公共阻抗耦合、直接耦合、电容耦合、电磁感应耦合、漏电耦合和辐射耦合等。 公共阻抗耦合 公共阻抗耦合是噪声源和信号处理电路具有公共阻抗时的传导耦合。 常见的情况是信号处理电路和信号输出电路使用公共电源，而电源不是内阻为零的理想电压源，电源内阻就成为了公共阻抗 Zc，信号输出电路中的电流变化就会在公共阻抗上产生噪声信号，并通过电源线干扰信号处理电路，如图 51 所示。 为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，通过去耦电路可减少公共阻抗耦合引起的干扰。 图 51 公共阻抗耦合 直接耦合 直接耦合通常是噪声信号经过导线直接传导到被干扰电路中。 图 52(a)中噪声信号比值 1/100000 1 1 1 DB 数 80 60 40 20 比值 2 2 3 5 DB 数 3 6 14 9 Vn 串接到有用信号 Vs 回 路中，形成常模干扰；图 52（ b）中噪声信号 Vn 对有用信号 Vs 形成共模干扰。 图 52 直接耦合 电容耦合 控制系统的元件之间、导线之间、导线与元件之间都存在分布电容。 如某一导体上的信号电压变化通过分布电容影响到其他导体上的电位，这种现象称为电容性耦合，也称静电耦合或电场耦合。 噪声通过电容耦合的影响程度取决于分布电容大小和噪声的频率。 图 53中，导线 a,导线 b之间存在分布电容 Cab，导线 a和导线 b 对地的分布电容为 Cac 和 Cbc，噪声信号 Vn 可通过分布电容 Cab 会叠加在导线 b 上。 图 53 电容耦合 电磁感应耦合 电磁感应耦合又称磁场耦合。 载流导体周围空间都会产生磁场，如磁场是交变的，则会对其周围闭合电路产生感应电势，因此，电路中的线圈、变压器甚至较长的导线都可能通过电磁感应耦合来传递噪声。 图 54 中，噪声信号 Vn 回路的 L1 与有用信号Vs 回路的 L2经等效的互感系数 M 耦合，从而有可能造成对 Vs 的影响。 10 图 54 电磁感应耦合 漏电耦合 漏电耦合是电阻性耦合方式。 当相邻的元件或导线间绝缘电阻降低时，就会发生漏电耦合现象。 图 55 中 Rab 为导线。