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实用EMI噪讯对策技术(15) 模拟电路

2017-12-14 来源:安规与电磁兼容网 浏览次数:22
导读:几乎所有数字电路的信号强度(level)都呈一定值,相较之下模拟电路的信号强度就非常纷歧,而且模拟电路的信号频宽也比较大,这意味着模拟电路无法作概括性处理。模拟电路噪讯 如图1所示模拟电路可以分成:*电阻器与电

几乎所有数字电路的信号强度(level)都呈一定值,相较之下模拟电路的信号强度就非常纷歧,而且模拟电路的信号频宽也比较大,这意味着模拟电路无法作概括性处理。

模拟电路噪讯

如图1所示模拟电路可以分成:

* 电阻器与电容器等被动组件(包含被动组件)构成的被动电路

* 包含增幅器在内的主动组件(动态组件)构成的主动电路

两种。此外模拟电路有误差问题,由于误差与噪讯无法作详细区隔,因此误差问题与噪讯问题几乎无法切割处理。

图1 主动电路与被动电路的差异

如图2所示,模拟电路的固定噪讯主要来自组件本身,通常组件的噪讯都非常低,信号强度很高时相对的S/N(Signal/Noise)噪讯比也非常高,因此不致构成太大问题。然而信号强度很微小、或是要求高动作精度时,组件的噪讯反而变成棘手问题。

数字电路同样会产生噪讯,所幸的是在数字电路可以忽略这些噪讯,即使是模拟电路如果信号强度很高时,通常都能够忽略这些噪讯。

图2 电子机器产生的噪讯一览

图2中的热噪讯(thermal noise)是电流通过电阻器产生的噪讯,由于所有电子组件都有阻抗,这意味着所有电子组件一定会产生噪讯,即使极力削减噪讯也无法彻底消弭噪讯。此处假设实效噪讯电压为,如此一来热噪讯可用下式表示:

K: Boltzmann定数(    )

T: 绝对温度(    )

B: 频宽( Hz)

R: 阻抗值(R )

图3是热噪讯特性,由于噪讯与阻抗值与信号的频宽平方根呈比例,因此降低阻抗值与信号的频宽对热噪讯非常有效。频通滤波器(band pass filter)同时具备低通(low pass)与高通(high pass)两种滤波特性,它只让中间的频率通过,因此降低信号的频宽时,利用频通滤波器可以有效消除不必要的频域(频宽)。

图3 热噪讯的特性

射击噪讯(shot noise)具有一定的电压峰值,它是指电子组件的电流超越峰值时,以电流形式产生的噪讯而言。此处假设噪讯电流为
,如此一来射击噪讯可用下式表示:

 

q: 电子的电荷(库伦)

Idc: 在电路流动的平均电流(A )

B: 频宽(Hz )

如果频宽为 时,射击噪讯变成。图4是FET的网关漏电流造成的噪讯特性。

 


图4 FET的网关漏电流造成的噪讯特性

接触噪讯(contact noise)又称为闪烁噪讯(flicker noise),或是1/f噪讯,它是材料不完全接触造成的噪讯。假设噪讯电流为    ,频宽为1Hz时,接触噪讯可用下式表示:

 

亦即噪讯电力密度与频率的逆数呈比例,例如自然风与频率的逆数呈比例随机变动就是典型的说明范例(1/f则称为摇晃)。

至于玉米花式噪讯(popcorn noise)则是脉冲状噪讯,它有点类似一般所谓的「爆裂噪音」。

玉米花式噪讯通常出现在发射体(emitter)接合处,一般认为它是格子缺陷造成的噪讯。玉米花式噪讯除外,一般噪讯都与信号的频宽B根号,亦即呈比例。 电流性噪讯随着电流的流动会转换成电压, 因此综合噪讯  可用下式表示: 

 

:电压性噪讯

:电流性噪讯

:负载阻抗

除此之外还有热起电力造成的噪讯,热起电力噪讯是材质相异金属的接合部位,受到温度影响产生的激发电力,例如金属A与金属B的接合部位温度为t,此时会产生的热起电力。

虽然热起电力随着金属的种类不同,不过基本上它与温度呈一定比例,温度越高热起电力越大。

热起电力的误差发生要因如图5所示,由于印刷电路基板的图案与电阻器金属材质相异,当发热组件造成温度提高时,接合部位的温度会上升,虽然此时两侧接合部位的温度相同,不过发生的热起电力最后会被相互抵销,反过来说如果有温差时,接合部位就会残留对应该温差的电压。

图5 温度分布的发生原因

应用增幅器

应用增幅器是主动电路的基本,接着介绍有关应用增幅器的误差。应用增幅器使用的IC被设计成可以使应用增幅器具备理想化特性。

类似电阻器与电容器等单纯的被动组件,大多透过材料与加工技术,同样被制成具备理想化特性。 相较之下应用增幅器是由结构复杂的电路构成,必需利用电路技术才能够获得理想化特性。最单纯的增幅器电路是由1个晶体管,与若干个电阻器与电容器构成,不过这种增幅器的特性与理想性增幅器相距甚远,而且含有各式各样的动作误差。

单纯改善晶体管的方式,理论上并无法获得理想化特性的增幅器,必需使用复杂的补偿电路才能实现,即使如此实际上并无完全理想性的增幅器,因此含有各式各样动作误差的增幅器特性,一律称为「应用增幅器的现实特性」,现实特性具体内容分别如下:

*输出与输入范围的限制

*off-set电压

*有限的输入阻抗

*偏压(bias)电流与off-set电流

*有限Gain

*Gain与位相的频率特性

*通过率(through rate)

*电源电压的抵制(rejection)

*一般模式的抵制(common mode rejection)

*各特性的温度系数

增幅器的理想特性呈线形状,所谓线形特性并不是笔直状特性,它表示变化范围±无限大,然而实际上输入与输出只能够在电源电压决定的范围内变化。

此处假设应用增幅器的输入电压为、,增幅率Gain为G,如此一来输出电压可用下式表示: 

然而实际上必需将误差电压列入考虑,因此输出电压变成:

理想应用增幅器的输入阻抗为无限大,实际上却是有限值。增幅器的输入阻抗(impedance)是由等价性高阻抗低电容构成,因此单纯的「直流性动作」时只需考虑抗低即可;单纯的「频率特性」时,只需考虑电容即可。

至于偏压电流与off-set电流,如图6所示除了输入阻抗为有限之外,基本上是由该应用增幅器的电路结构决定,它具备一定的流入与流出电流特性,此时该电流称为「偏压电流」。

偏压电流在应用增幅器的两输入,理论上应该完全相同,不过实际上略有差异,该差异称为「off-set电流」 

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