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电子系统中常见噪声


锁相放大器最基本功能就是在噪声环境中提取出目标信号,根据噪声的起因可以大致分为两类,分别是系统的内部噪声(本征噪声)和外部环境噪声。

锁相放大器最基本功能就是在噪声环境中提取出目标信号,在所有的电子系统中,噪声都是无处不在的。根据噪声的起因可以大致分为两类,分别是系统的内部噪声(本征噪声)和外部环境噪声。从微观上讲,产生内部噪声的原因,是载流子的瞬时运动具有随机性,这种随机性会导致我们无法准确地预知未来任意时刻的瞬时值,即引入了系统噪声;对于外部噪声而言,系统外环境一些不可预知的干扰会引起系统内部的响应,从而引起系统的误差。从主观角度看的话,凡是不希望得到的亦或是有碍于准确测量结果的信号均可认为是噪声。虽然噪声具有瞬时值不可预知性的特点,但这样的随机性也并不是完全的杂乱无章,它们具有一定的统计规律。


一、电子系统常见噪声源


1.1 热噪声

不论系统是否在工作状态下,热噪声都存在于任何电子系统中,即使系统没有上电,电子器件都会对外呈现出噪声特性。热噪声最早由J.B.Johnson于1928年发现,因此热噪声又被称为Johnson噪声。热噪声的噪声电压值可由以下公式计算给出:

                                                                                   Vnoise (rms)=(4kTR△f)1/2 

上式中, k为Boltzmann常数,其值为1.38×10-23J?K ; T为开尔文温度;R 为电阻的阻值,其单位为欧姆Ω;△f是测量设定的带宽。由上式可以看出,热噪声的功率谱密度函数与频率无关,当温度与阻值一定时,该功率谱密度函数即为一条直线,说明热噪声拥有白噪声的性质。


1.2 散弹噪声

散弹噪声一般存在于PN结中,又被称为散粒噪声(Shot Noise),其微观机理为PN结中载流子随机发射与湮灭导致流过势垒的电流随机涨落。散弹噪声首先由W.Schottky于1918年在热阴极电子管的研究中发现,并从理论上证明了散弹噪声是一种白噪声。散弹噪声可以在电流测量中以噪声电流值的形式出现,由以下公式计算给出:

                                                                                    Inoise (rms)=(2qI△f)1/2 

上式中, q为电子元电荷量,其值为1.62×10-19C;I 为PN结交流电流有效值或直流电流平均值 ;△f是测量设定的带宽。对于设定带宽很小的测量系统或环境而言,散弹噪声一般带来的影响较小,可以忽略。


1.3 噪声

1/f噪声是于1925年在电子管电流中首次被Johnson发现的,对于阻值相同,材料不同的电阻元件而言,它们除了具有相同的热噪声,还有基于当两种导体接触不理想时,其接触电阻会随机涨落,从而引起的噪声,称之为1/f噪声。该噪声的突出特点是其功率谱密度反比与工作频率f,即频率越低,该噪声的影响越严重,其功率谱密度函数为:

 Sf(f)=(KId2)/f(V2/Hz) 

上式中, K为定值,具体数值与材料类型、接触面接触情况、几何形状等有关; Id为流过导体的平均直流电流,其单位为 A;f为工作频率。碳质电阻的1/f噪声典型值为0.1-0.3μVrms;金属薄膜电阻或绕线电阻的噪声值大概比碳质电阻小1个数量级。


1.4 电子系统内部总噪声

以上介绍的电子系统内部噪声是相互独立的,如果从统计的角度描述电子系统内部总噪声,应对各独立噪声源有效值进行平方运算,累加后再进行开方,即可得到总噪声值。


 

二、外部噪声源

除了上述的电子系统内部噪声,在实验中还会出现各种来自系统外环境的干扰。大部分外部噪声源在时域上与系统是异步关系的,从频域上看,这些噪声和系统中的参考源信号频率及参考源的各次谐波不存在相关性,这些噪声可能来自照明设备、制冷设备、电动机、收音机、电脑荧屏等等。消除以上噪声会提高实验过程对测量系统的动态储备以及时间常数的要求。


一些外部噪声源可能与系统中的源信号存在同步性和相关性,当系统中引入了这些外部噪声,将造成目标信号的严重失真,如在目标信号幅值上产生起伏,并且此类失真无法通过频率相关的办法进行排除,即锁相放大器会把此部分噪声认为是源信号,导致测量出错。典型的同步噪声源来自于实验环境与检测仪器的入地电流设计问题。

外部噪声源可以以多种方式耦合到源信号通路中。


2.1 容性耦合影响

设想一个距离实验测量环境很近的交流电压信号,它可能会通过一个寄生电容耦合到测量环境中检测器所在通路。尽管寄生电容可能非常小,耦合后产生的噪声也可能比实验中的待测微弱信号大得多,尤其是耦合噪声与系统中源信号存在同步性和相关性时,会造成更大的影响,因为锁相放大器会将目标频率上的所有信号认为是源信号部分。假若交流电压信号是高频信号,也会使耦合噪声增益更加明显。

Stray_capacitance

我们可以通过以下计算估计噪声电流的大小:

 i=Cstray dV/dt=ωCstray Vnoise 

上式中, ω为源信号频率对应的角速度;  Vnoise是噪声幅度; Cstray是寄生电容值。
        为了避免容性耦合噪声对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:
        1) 对于确定的实验测量环境,评估可能带来影响的噪声源,对其进行关闭或移除。
        2) 尽量保证噪声源远离实验测量环境,减小寄生电容值,不能让信号通道和可能存在噪声的通道处于接近的位置。
        3) 当噪声源无法消除时,应设计测量微小阻抗器件端值电压的实验,代替直接测量电流的实验,因为噪声电流产生的电压一般较小。
        4) 将测量源与探测器放置于金属体中,产生隔离作用。
 

2.2 感性耦合影响

设想一个距离实验测量环境很近的交流电流信号,它可能会通过磁场耦合到测量环境中。近场电流产生起伏时,将会引起磁场变化,由于距离过近,实验测量环境环路就会受到影响,因其磁通量发生改变。这种现象就像是噪声交流电流变化通过变压器耦合到后级电路中,而后级电路恰恰是实验测量环境环路。

L_couple

 

为了避免感性耦合噪声对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:
       1) 对于确定的实验测量环境,评估可能带来影响的噪声源,对其进行关闭或移除。
       2) 使用双绞线或同轴电缆,减小实验测量环境环路面积,对于差分连接,必要时将两条同轴电缆进行绞合。
       3) 当噪声源无法消除时,应使用高阻抗的检测器测量环路中的电流,代替测量电压的实验。
       4) 设计磁场屏蔽,防止变化的磁场穿过实验测量环境环路。

 

2.3 阻性耦合及入地电流影响

阻性耦合又称入地电流影响,在电流入地点相对于远处工作地间,通过阻性耦合产生电位差。

R_couple


在本图中,探测器测得的信号中将会包含外部噪声引起的压差,其原因正是噪声源的正好跨接于实验测量环境的地工作点和探测器接地点,则噪声源的入地电流将会通过阻性耦合对实验测量产生误差影响。

为了避免阻性耦合及入地电流对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:
        1) 将所有元件的电位参考点接在同一物理点上,即统一所有工作地。
        2) 把地线设计得足够厚,以减少其阻性效应。
        3) 对于小信号部分,尽量避免出现大电流直接入地。

 

2.4 颤噪效应

并非所有影响电子系统的噪声都是因电子而起,机械动作也会给电子系统带来影响,这种噪声引入即成为颤噪效应。比如在锁相放大测量中,实验环境包括线缆等发生的振动等物理变化,都将给测量结果带来电子噪声影响。

设想一根连接锁相放大器和探测器的同轴电缆,其电容大小可看做是电缆本身的物理性质的一种关系函数,而机械振动将会改变电缆的电容值,这种改变与振动的频率有关。由于电容可以写成:

                                                                                             Q =CV 

                                                                             I=dQ/dt=C dV/dt+V dC/dt 

可以看到机械振动时,上式中 dC/dt一项将会出现变化,电缆中的电流便会受到影响,探测器的信号以及测量结果便产生误差。

为了避免阻性耦合及入地电流对系统带来的影响,在设计中应考虑以下几点:
        1) 尽可能消除实验中可能出现的机械振动,尤其是载有敏感性强的信号的电缆。
        2) 使用低噪声的电缆,降低颤噪效应带来的影响。

 

2.5 热电偶影响

考虑不同的金属组成回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,回路中将产生一个电动势,这种效应称为热电效应,回路即为热电偶,热电动势可对微伏级别的电压信号产生缓慢变化的影响。由于实验测量环境和探测器的温度的缓变,这种噪声源在低频工作范围内,尤其是mHz范围内,是需要重点考虑并改善的问题点。
       一些优化热电偶影响的途径:
       1) 保证实验测量环境和探测器的温度不变。
       2) 进行冷接点补偿,即引入另一个热电偶,与第一个热电偶保持在相同的温度,但是其热电动势极性相反,则可对第一个热电动势进行补偿。