电路中干扰、噪声的应对与微弱信号的测量摘要：微弱信号常常被混杂在大量的噪音中。
噪声的来源多种多样，有来自电路之间的，有电子元器件本身所具有的，也有来自外部环境的。
这其中，又分为了好多不同种类，比如电子元器件的噪声，有低频时的1/f噪声，有高频的热噪声等等。
本文中分别对其进行介绍。
为了消除这些噪声，从而获得正确的信号，就需要对电路采取一些措施。
在PCB布局布线时，就有好多细节非常值得我们注意。
当然，元器件的选择也是很有讲究的。
当然，仅仅对噪声干扰进行抑制并不足以达到检测微弱信号的目的，为此，在设计检测微弱信号的电路时，又有很多重要的方法和注意点值得参考。
只有做好这些，才能从噪声中得到可靠、稳定的信号。
关键词：噪声；PCB布线；微弱信号检测一、电路中的干扰与噪声噪声是电路中相对于信号而言的一些干扰、无用的信号噪声干扰的产生原因有许多,如雷击、周边负载设备的开关机、发电机、无线电通讯等。
在对微弱信号处理时，噪声的影响非常重要，必须对其采取措施，否则有用信号将淹没其中，而无法被检测到。
具体到噪声来源、噪声特点等方面，噪声有许许多多的类别，下面分别简要对其进行介绍。
1.1低频噪声低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。
特别是碳膜电阻，其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似的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生机理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。
1.2半导体器件产生的散粒噪声由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量改变，从而显现出电容效应。
当外加正向电压升高时，N区的和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。
当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。
当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。
当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。
其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。
1.3高频热噪声高频热噪声是由于导电体内部电子的无规则运动产生的。
温度越高，电子运动就越激烈。
导体内部电子的无规则运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的平均总电流为零，但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的电流就会被放大成为噪声源，特别是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。
通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。
以一个1kΩ的电阻为例，如果电路的通频带为1MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。
看起来噪声的电动势并不大，但假设将其接入一个增益为106倍的放大电路时，其输出噪声可达4V，这时对电路的干扰就很大了。
1.4电路板上的电磁元件的干扰许多电路板上都有、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能量，其能量会对周围的电路产生干扰。
像继电器等元件其反复工作，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。
1.5晶体管的噪声晶体管的噪声主要有热噪声、散粒噪声、闪烁噪声。
热噪声是由于载流子不规则的热运动通过BJT内3个区的体电阻及相应的引线电阻时而产生。
其中rb所产生的噪声是主要的。
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，因而发射极电流或集电极电流都有无规则的波动，会产生散粒噪声。
由于半导体材料及制造工艺水平使得晶体管表面清洁处理不好而引起的噪声称为闪烁噪声。
它与半导体表面少数载流子的复合有关，表现为发射极电流的起伏，其电流噪声谱密度与频率近似成反比，又称1/f噪声。
它主要在低频(kHz以下)范围起主要作用。
1.6电阻器的噪声电阻噪声的来源分为两大类----热噪声与过剩噪声1.热噪声电阻的机构以及在电路中的工作状态模式，决定了电阻在通电的的过程中必然会产生热效应，所有的元器件都会发热。
这种热效应表现为，当温度升高时候，电阻中的电导流子会做无规则的热运动，使电流的定向流动产生起伏变化，从而形成了热噪声电流，此噪声电流将通过电阻产生噪声电压，称为电阻的热噪声。
2.过剩噪声现阶段业界常常使用的电阻为：A.插件电阻，B.晶圆电阻，C.贴片电阻等特殊电阻产品。
电阻在电路的运行过程中除了会产生热噪声之外还会产生另外一种噪声就是过剩噪声。
过剩噪声的来源：（1）电阻在有电流通过的情况下，由于电阻薄膜并不均匀，所以电流就不会均匀的流经电阻的每一个区域，其中必然某一个区域会较为密集，所以会产生过剩噪声。
（2）电阻柱体实质上是由无数个导电微粒组合而成，在外加电压的作用下产生不规则没有定性的运动，阻值就会发生相应的变化，对电流起限制作用从而产生过剩电流过剩电流=电阻的电流噪声，他与阻值、流过的电流、电流强度有关。
1.7集成电路的噪声集成电路的噪声干扰一般有两种：一种是辐射式，一种是传导式。
这些噪声尖刺对于接在同一交流电网上的其他电子设备会产生较大影响。
噪声频谱扩展至100MHz以上。
在实验室中，可以用高频示波器(100MHz以上)观察一般系统板上某个集成电路与地引脚之间的波形，会看到噪声尖刺峰- 峰值可达数百毫伏甚至伏级。
1.8电源的干扰大多数电子电路的直流电源是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的。
如果电源系统没有经过净化，会对测试系统产生干扰。
同时，在传感器测试系统附近的大型交流设备的启停将产生频率很高的浪涌电压叠加在电网电压上。
此外，雷电感应也会在电网上产生幅值很高的高频浪涌电压。
如果这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内部，将会干扰其正常工作，影响系统的测试精度。
1.9地线的干扰传感器接口各电路往往共用一个直流电源，或者虽然不共用一个电源，但不同电源之间往往共一个地，因此，当各部分电路的电流均流过公共地电阻(地线导体阻)时便会产生电压降，该电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。
同时，在远距离测量中，传感器和检测仪表在两处分别接地，于是在两“地” 之间就存在较大的接地电位差，在仪表的输入端易形成共模干扰电压。
共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。
由于线路的不平衡状态，共模干扰会转换成常模干扰，较难除掉。
对于很长的信号传输线，信号在传输的过程中很容易受到干扰，导致所传输的信号发生畸变或失真。
长线信号传输所遇到的干扰有：（1）周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰。
（2）信号线间的串扰。
当强信号线(或信号变化速度很快的线)与弱信号线靠得很近时，通过线间分布电容和互感产生线间干扰。
（3）长线信号的地线干扰。
信号线越长，则信号地线也越长，即地线电阻较大，形成较大的电位差。
二、干扰与噪声的抑制对于一直电路中的噪声与干扰，可以从以下几个方面进行考虑：2.1根据不同工作频率合理选择噪声低的半导体元器件在低频段，晶体管由于存在势垒电容和扩散电容等问题，噪声较大。
而结型场效应管因为是多数载流子导电，不存在势垒区的电流不均匀问题。
而且栅极与导电沟间的反向电流很小，产生的散粒噪声很小。
故在中、低频的前级电路中应采用场效应管，不但可以降低噪声还可以有较高的输入阻抗。
另外如果需要更换晶体管等半导体元件，一定要经过对比选择，即使型号相同的半导体器件参数也是有差别的。
同样，电路中的碳膜电阻与金属膜电阻的噪声系数也是不一样的，金属膜电阻的噪声比碳膜的要小，特别是在前级小信号输入时，可以考虑用噪声小的金属膜电阻。
2.2根据不同的工作频段、参数选择适当的放大电路选择适当的放大电路不仅对本级电路有直接影响，对整个电路的工作参数、工作状态都会产生重要影响。
如共射组态连接时，电路有较高的放大增益，同时它的噪声对后级的影响较小。
而共集组态时有较高的输入阻抗同时也有较好的频响。
因此根据不同的电路对参数应有不同要求，选择好的电路，不仅可以简化线路结构，同时也可以减少噪声对整个电路的干扰。
在电路性能参数允许的条件下，尽可能采用抗干扰能力较好的数字电路。
2.3 PCB板的布局需注意（1）要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等...，它们的走向应该是呈线形的(或分离)，不得相互交融。
其目的是防止相互干扰。
最好的走向是按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形，所幸的是可以设隔离带来改善。
对于是直流，小信号，低电压PCB设计的要求可以低些。
所以“合理”是相对的。
（2）选择好接地点：小小的接地点不知有多少工程技术人员对它做过多少论述，足见其重要性。
一般情况下要求共点地，如：前向放大器的多条地线应汇合后再与干线地相连等等...。
现实中，因受各种限制很难完全办到，但应尽力遵循。
这个问题在实际中是相当灵活的。
每个人都有自己的一套解决方案。
如能针对具体的电路板来解释就容易理解。
（3）合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。
其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。
有趣的是，当电源滤波/退耦电容布置的合理时，接地点的问题就显得不那么明显。
（4）线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。
地线应尽量宽，最好使用大面积敷铜，这对接地点问题有相当大的改善。
（5）有些问题虽然发生在后期制作中，但却是PCB设计中带来的，它们是：过线孔太多，沉铜工艺稍有不慎就会埋下隐患。
所以，设计中应尽量减少过线孔。
同向并行的线条密度太大，焊接时很容易连成一片。
所以，线密度应视焊接工艺的水平来确定。
焊点的距离太小，不利于人工焊接，只能以降低工效来解决焊接质量。
否则将留下隐患。
所以，焊点的最小距离的确定应综合考虑焊接人员的素质和工效。
焊盘或过线孔尺寸太小，或焊盘尺寸与钻孔尺寸配合不当。
前者对人工钻孔不利，后者对数控钻孔不利。
容易将焊盘钻成“c”形，重则钻掉焊盘。
导线太细，而大面积的未布线区又没有设置敷铜，容易造成腐蚀不均匀。
即当未布线区腐蚀完后，细导线很有可能腐蚀过头，或似断非断，或完全断。
所以，设置敷铜的作用不仅仅是增大地线面积和抗干扰。
以上诸多因素都会对电路板的质量和将来产品的可靠性大打折扣。
（6）金属化过孔镀层厚度只有20几到几微米，经不起大电流！因此电源线、地线、有大电流的线非得通过过孔到另一面时可在此处多加几个过孔，或通过一个穿过两面的原件。
（7）脚较粗且多的器件如CD型插座，应尽可能少从原件面出线。
如非出不可有条件可在器件脚边加一过孔。
