本文旨在幫助您了解并有效處理電子系統(tǒng)中的干擾噪聲。這里我們將考慮拾取噪聲的機(jī)制，因?yàn)榻鉀Q任何噪聲問題的第一步是確定噪聲來源和耦合機(jī)制，然后才能實(shí)施有效解決方案。

　　我們討論的是何種噪聲?

　　任何電子系統(tǒng)都存在許多噪聲來源。表現(xiàn)形式主要有三種：發(fā)射噪聲，與原始信號(hào)一起接收且無法區(qū)分;內(nèi)生噪聲(例如發(fā)熱產(chǎn)生的約翰遜噪聲、散粒噪聲和爆米花噪聲)，源自構(gòu)成電路的器件;以及干擾噪聲，從電路外部拾取。干擾噪聲可能源于自然干擾(如閃電)，或者從系統(tǒng)內(nèi)或附近的其他電氣設(shè)備(例如電腦、開關(guān)電源、SCR控制加

　　熱器、無線電發(fā)射機(jī)、開關(guān)觸點(diǎn)等)耦合進(jìn)來。

　　本文僅探討最后一類，即人為噪聲，這是數(shù)據(jù)采集或測(cè)試系統(tǒng)中最普遍存在的系統(tǒng)噪聲。它在低電平電路中最麻煩，系統(tǒng)任何部分均無法逃脫其影響。但它也是會(huì)受布線和屏蔽選擇影響的唯一噪聲形式。

　　假設(shè)和分析工具

　　盡管完整、精確描述電氣系統(tǒng)特性必然用到麥克斯韋方程組(意味著更多的數(shù)學(xué)計(jì)算)，但大多數(shù)情況下傳統(tǒng)的電路分析仍然很有用。解決這些問題時(shí)，要確保電路分析有效，需做如下假設(shè)：

　　1. 所有電場(chǎng)局限于電容內(nèi)部。

　　2. 所有磁場(chǎng)局限于電感直接相鄰部分。

　　3. 電路尺寸相對(duì)于所考慮的波長(zhǎng)較小。

　　使用上述假設(shè)，我們可以將噪聲耦合通道模擬為集總電路元件。將耦合兩個(gè)電感的磁場(chǎng)模擬為互感。可將雜散電容模擬為兩個(gè)導(dǎo)體，兩者間存在電場(chǎng)。圖1顯示了一個(gè)等效電路情況，其中兩根短導(dǎo)線在系統(tǒng)地上彼此相鄰。

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　　圖1. 兩個(gè)相鄰導(dǎo)線和接地層的噪聲等效電路。

　　一旦獲得某一系統(tǒng)的完整噪聲等效電路，問題就成為針對(duì)所需參數(shù)求解其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)方程式。所有標(biāo)準(zhǔn)線性電路分析技術(shù)均可應(yīng)用，包括節(jié)點(diǎn)方程、環(huán)路方程、矩陣代數(shù)、狀態(tài)變量、疊加、拉普拉斯變換等等。當(dāng)電路超過5和6個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，手動(dòng)計(jì)算變得困難;此時(shí)必須使用計(jì)算機(jī)輔助程序，例如SPICE，以及其他CAD技術(shù)。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師可以適當(dāng)?shù)睾?jiǎn)化假設(shè);但其有效性在得到驗(yàn)證前必須始終警惕。

　　集總元件方法不一定給出精確數(shù)字答案，但可以清晰顯示噪聲與系統(tǒng)參數(shù)的依賴關(guān)系。繪制盡可能詳確的等效電路可以給如何降低噪聲電平提供思路。一旦寫出網(wǎng)絡(luò)方程和CAD程序，便可研究噪聲抑制技術(shù)的定量影響。

　　雖然所有現(xiàn)代技術(shù)均在進(jìn)步，例如微處理器和開關(guān)電源，但導(dǎo)線仍具有電阻和電感，電容仍存在于真實(shí)世界，這些現(xiàn)象必須認(rèn)真對(duì)待。

　　基本原理

　　噪聲問題始終牽涉三個(gè)因素：噪聲源(線路瞬變、繼電器、磁場(chǎng)等)、耦合介質(zhì)(電容、互感、導(dǎo)線)和接收機(jī)，即易受噪聲影響的電路(圖2)。

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　　圖2. 噪聲拾取始終涉及噪聲源、耦合介質(zhì)和接收機(jī)。

　　要解決問題，必須消除、削弱或轉(zhuǎn)移這三個(gè)因素中的一個(gè)或多個(gè)。在可以解決問題前，必須徹底弄清這些因素在問題中的作用。如果解決方案不當(dāng)，噪聲問題只會(huì)變得更糟!不同噪聲問題需要不同的解決方案;添加電容或屏蔽體并不一定有效。

　　系統(tǒng)噪聲類型

　　任何電子系統(tǒng)中的噪聲來源很多，包括計(jì)算機(jī)、風(fēng)扇、電源、相鄰設(shè)備、測(cè)試器件，甚至用于抑制噪聲但連接不當(dāng)?shù)钠帘误w和接地線。我們討論的噪聲源和耦合機(jī)制包括下列主題：

　　●公共阻抗噪聲

　　●容性耦合噪聲

　　●磁耦合噪聲

　　●電力線瞬變

　　●其他噪聲源

　　公共阻抗噪聲

　　顧名思義，公共阻抗噪聲是由數(shù)個(gè)電路共有的阻抗引起的。圖3顯示了基本配置，可能發(fā)生于脈沖輸出源和運(yùn)算放大器基準(zhǔn)端子均連接到“接地”點(diǎn)的情況，該點(diǎn)對(duì)電源返回端子有明顯阻抗。噪聲電流(電路1的噪聲返回電流)將在阻抗Z兩端產(chǎn)生電壓Vnoise，該電壓對(duì)電路2表現(xiàn)為噪聲信號(hào)。

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　　圖3. 公共電路阻抗如何產(chǎn)生噪聲。

　　通常，此類噪聲的重復(fù)率取決于噪聲源速率。實(shí)際波形由阻抗Z的特性決定。例如，如果Z完全是電阻式，噪聲電壓將與噪聲電流成正比，并具有相似形狀(圖4a)。如果Z為R-L-C，噪聲電壓將以頻率1/(2πLC)振鈴，并以L/R (b)確定的速率呈指數(shù)性衰減。

　　如果在電路中發(fā)現(xiàn)此類噪聲，可以從重復(fù)率和波形很容易地推斷出原由。重復(fù)率將指向噪聲來源，因?yàn)樵肼暸c其來源是同步的。

　　例如，(c)中所示的噪聲波形(重復(fù)率25kHz，占空比25%)就是包含調(diào)節(jié)環(huán)路并使用脈寬調(diào)制的開關(guān)電源的典型波形。

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　　圖4. 公共阻抗中的噪聲效應(yīng)，(a)電阻，(b)R-L-C電路，(c)開關(guān)噪聲響應(yīng)。