电子噪声与低噪声设计
本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播问题，介绍各种噪声源相关的机制和模型，说明不同噪声的特性和传播方式，以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法，并详细介。。。内容简介电子噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能导致信息传输错误本书致力于利用随机噪声理论分析和解释电子系统中噪声的产生和传播冋题,介绍各种噪声源相关的机制和模型,说明不同噪声的特性和传播方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法,并详细介绍各种不同噪声的抑制方法,给出大量实例,总结出低噪声设计的规则和要点。木书可用作电子工程、自动化、测试技术与仪器等专业的本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。本书封面贴有清华大学出版社防伪标签,无标签者不得销售版权所有,侵权必究。侵权举报电话:010-6278298913701121933图书在版编目(CIP)数据电子噪声与低噪声设计/高晋占编著.一北京:清华大学出版社,2016ISBN978-7302-43559-4I.①电…Ⅱ.①高…Ⅲ.①电子系统一噪声②电子系统一低噪声一设计ⅣN.①TN911.4②TN722.3中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第081960号责任编辑:王一玲封面设计:常雪影责任校对:梁毅责任印制:沈露出版发行:清华大学出版社pogtlt:http://www.tup.com.cn,http://www.wqbook.com地址:北京清华大学学研大厦A座邮编:100084社总机:010-62770175邮购:010-62786544投稿与读者服务:010-62776969,c-service(@tup.tsinghua.edu.cn质量反馈:010-62772015, zhiliang tup. tsinghua.edu.cn印装者:清华大学印刷厂经销:全国新华书店开本:185mm×260mm印张:21字数:522千字版次:2016年6月第1版印次:2016年6月第1次印刷印数:1~1500定价:59.00元产品编号:06269401在电子电路和系统中,噪声是个重要问题。噪声污染有用信号,并使信号包含的信息增加了不确定性。电子噪声是影响检测系统性能的主要因素之一。在通信系统中,噪声可能导致信息传输错误。即使在噪声阈值较高的数字电路和计算机系统中,严重的噪声可能造成存储位的变化和程序运行混乱噪声包括内部固有噪声和外部干扰噪声。内部固有噪声是由载流子的随机运动引起的,有些固有噪声源可以通过在制造过程中提高加工质量加以控制,但其中大多数是基础噪声,不取决于技术。而外部干扰噪声是由外部噪声源发岀,经过某种耦合渠道对电路污染的结果。这两种噪声具有不同原因,它们需要不同的处理方法,在多数书籍和文献中,这两种噪声都是分别对待的,外部干扰噪声通常是电磁兼容性(EMC)相关书籍的主题。但是,这两种噪声引起的问题是类似的,应该综合在一起考虑。在处理其中的一种噪声时,有理由必须把另一种噪声也考虑在内。例如,当处理弱信号的电路无法正常工作时,污染了有用信号的噪声是源自于该电路本身还是从外部拾取的,从用户的角度来看都是无关紧要的。在这两种情况下噪声都会掩盖信号,在最坏的情况下则不能恢复信息内容。因此,只努力抑制电路的固有噪声,但缺乏抵御干扰噪声的保护手段,电路的噪声特性就会大打折扣。另外,在设计屏蔽措施时,努力把干扰噪声降低到固有噪声幅度之下,往往没有多大意义。本书涵盖上述两种噪声,致力于分析和解释电子系统中各种噪声的来源和性质,介绍各种噪声源的机制和模型,说明不同噪声的特性和耦合方式,以及线性电路中的噪声分析方法和噪声特性测量方法,介绍各种噪声的抑制措施,给出低噪声设计的规则和方法。许多种噪声具有随机性,其描述方式和分析方法不同于确定性信号,不太容易理解,本书第1章首先介绍随机噪声的基本原理和特性,这是后续各章及延续阅读的理论基础。第2~5章致力于固有噪声,这种噪声取决于电子器件和电路设计。第2章介绍各种固有噪声源的特性和描述方法;第3章介绍各种噪声参数和噪声分析方法;第4章介绍电子系统中常见的电子器件的噪声源、噪声模型和噪声特性;第5章介绍常用的噪声性能测量方法。前言第6~8章致力于外部干扰噪声,这种噪声受设备的物理结构和电路布局的影响很大。第6章介绍各种干扰噪声源和干扰耦合途径,除电磁噪声外,还特别介绍机械原因或温度扰动引起的噪声;第7章介绍干扰噪声抑制方法,重点是屏蔽和接地;第8章介绍常见干扰噪声源的噪声产生机制和预防措施。第9章介绍低噪声电路设计的方法和技术,包括选择低噪声有源器件,确定电路组态和工作点,噪声匹配的实现等,特别分析了反馈对噪声性能的影响。本书可用作电子、通信、自动化、测试技术与仪器等专业的高年级本科生或研究生教材,也可供涉及电子噪声和电磁兼容性的工程技术人员参考。由于作者水平所限,书中难免存在缺点和错误,恳请广大读者批评指正高晋占2015年10月于清华园符号說明1.基本符号X电抗的通用符号,单位为Ω频率通用符号,单位为Hz导纳的通用符号,单位为Sfo中心频率,单位为Hz阻抗的通用符号,单位为Ω截止频率,单位为Hz角频率通用符号,单位为rad/s电流通用符号,单位为A2.线性系统符号距离或长度,单位为mA(t)幅度函数电压通用符号,单位为V)相位函数器件内部的等效电阻,单位为9G(a)幅频特性函数B系统频带宽度,单位为Hz相频特性函数B电纳的通用符号,单位为Sh(t)冲激响应函数C电容的通用符号,单位为FH(j)频率响应函数E数学期望运算子H()传递函数电导的通用符号,单位为SH(x1)离散传递函数电流的有效值,单位为A3.随机噪声符号平均直流电流,单位为A噪声电压L电感的通用符号,单位为H噪声电流互感的通用符号,单位为H噪声电压的均方值P功率的通用符号,单位为W噪声电流的均方值R电阻或等效电阻,单位为ΩE电路的输入电阻,单位为Ω噪声电压的有效值,En=√eR电路的输出电阻,单位为噪声电流的有效值,n=√R负载电阻,单位为Ω噪声电压的平方根谱密度,单位R信号源内阻,单位为Ω为V/√Hz电压的有效值,单位为V噪声电流的平方根谱密度,单位热力学温度(旧称绝对温度),单为A/√Hz位为K热噪声电压符号说明热噪声电流共射接法下集射极之间的微变电散弹噪声电压阻散弹噪声电流场效应管漏源之间的等效电阻1/f噪声电压导通电阻1/f噪声电流二极管,场效应管的漏极F噪声系数( noise factor)场效应管的栅极噪声因数( noise figure),单位为dBS场效应管的源极S信噪比二极管电流,漏极电流B等效噪声带宽共射接法下的基极电流△f窄带宽度共射接法下的集电极电流p(x)x的概率密度函数共射接法下的发射极电流x的均值共基接法下的电流放大倍数,a=x的方差△Ic/△Ix的标准差共射接法下的电流放大倍数,B=x的均方值△Ic/△IBC2(x)x的自协方差函数共射接法下的直流电流放大倍Cx(x)x的归一化自协方差函数数,B=Ic/IBCx(z)x和y的互协方差函数5.其他符号Cx(x)x和y的归一化互协方差函数电磁辐射速度,c=2.998×10m/sR2(r)x的自相关函数h普朗克( Planck)常数,h=6.62R2(x)x和y的互相关函数1034JsS(f)噪声的功率谱密度函数k玻耳兹曼( Boltzmann)常数,k=S2(f)噪声电压的功率谱密度函数1.38×1023J/K(f)噪声电流的功率谱密度函数电子电荷,q=1.602×10-°C2(f)x的功率谱密度函数波长,mS2(f)x和y的互功率谱密度函数介质的介电常数p(x)x的归一化自相关函数自由空间的介电常数,Eo=8.85×(x)x和y的归一化互相关函数10 pF/mmJ|雅可比( Jacobi)行列式对自由空间的相对介电常数,En=4.半导体器件参数符号基极介质的磁导率C集电极自由空间的磁导率,A0=4x发射极10Hm1=4x×10pH/mmfr晶体管的特征频率,即共射接法对自由空间的相对磁导率,=下电流放大倍数为1的频率,单/0位为Hz介质的电导g跨导铜的电导,=5.82×107S/m基区体电阻对铜的相对电导,01=a/0rb’e发射结的微变等效电阻CMRR共模抑制比第1章随机噪声基础1.1随机噪声概述…………1.1.1噪声定义与分类1111.1.2内部固有噪声和外部干扰噪声比较1.1.3噪声的影响1.2随机噪声的概率分析方法…3471.3随机噪声的统计特征…1.3.1均值、方差与均方值········,····,·,,··,,,,,,······,·······,·,,1.3.2相关函数与协方差函数…1.3.3功率谱密度函数151.4常见随机噪声171.4.1白噪声与有色噪声171.4.2窄带噪声………………………………………………………191.5随机噪声通过电路系统的响应…211.5.1随机噪声通过线性系统的响应……………………………211.5.2随机噪声通过非线性系统的响应24第2章电子系统中的固有噪声源……………………………………………………292.1热噪声302.1.1热噪声的起源…302.1.2热噪声的特性……………………302.2扩散噪声……………………………………352.3散弹噪声362.4量子噪声………………………………………………………………………………39Ⅵ目录2.5产生-复合噪声(G-R噪声)…………………………………………………………402.61/f噪声…422.7爆裂噪声……………………………………………………………………452.8雪崩噪声…第3章噪声参数与噪声分析503.1.功率和增益3.1.1功率的各种常用定义513.1.2资用功率和资用功率增益…3.1.3可交换功率和可交换功率增益553.2等效噪声带宽…563.3线性一端口的噪声参数……603.3.1等效噪声电阻…………………………………613.3.2等效噪声温度623.3.3其他噪声参数……633.4线性二端口的噪声模型与噪声参数653.4.1E-Ⅰ噪声模型及等效输入噪声电阻…………………3.4.2等效输入噪声温度………693.4.3工作噪声温度……………723.4.4噪声系数……733.4.5噪声测度………………………………………………………………813.5二端口噪声分析………833.5.1二端口的噪声模型变换…………………………………………………833.5.2等效噪声源相关时二端口的噪声分析…………84第4章电子器件噪声884.1电阻噪声………884.1.1电阻的噪声机制与噪声指标…………………………894.1.2低噪声电阻的选择4.2电容、电感和电池噪声934.3半导体二极管的噪声特性…………………………………………………………954.4双极型晶体管(BJT)的噪声特性……994.4.1BJT的结构、等效电路和噪声源………………………………………994.4.2BJT的噪声参数1024.4.3BJT噪声的频率分布……………………………………………………1044.5场效应管(FET)的噪声特性1075.1FET的结构与噪声源…………1074.5.2FET的噪声等效电路与噪声参数1104.6运算放大器的噪声特性………………………………………………………113目录4.6.1运算放大器的等效输入噪声模型………………………………1134.6.2运算放大器噪声性能计算1164.7传感器电路噪声分析………………………………………………………122第5章噪声性能测量1335.1噪声测量常用方法……1335.2噪声测量中的检波器和平均器………………………………………………………1365.3噪声功率和有效值的测量误差1404噪声功率谱密度测量………………………………………………………1425.5二端口等效输人噪声测量1465.6噪声系数测量…………………………………………………………………1475.7噪声温度测量……1545.8其他噪声性能的测量和计算………………………………………………1575.9噪声发生器160第6章干扰噪声1666.1外部噪声源………………………………………1676.1.1自然噪声源…1686.1.2电磁噪声源1706.1.3静电噪声源…1736.1.4非电起源的干扰噪声源………………………………………………1746.1.5干扰噪声的频谱分布1766.2干扰噪声耦合途径……………………………………………………………1776.2.1传导耦合…1796.2.2电场耦合………………………………………………………1836.2.3磁场耦合………1866.2.4电磁辐射耦合………1916.2.5耦合模式……………………………193第7章干扰噪声抑制方法…1967.1电磁屏蔽………………………………………………………………………1967.1.1场传播与波阻抗1977.1.2屏蔽层的吸收损耗……………………………………………………2007.1.3屏蔽层的反射损耗2027.1.4屏蔽层中的多次反射…………………………………………2067.1.5屏蔽效能分析与综合2087.1.6影响屏蔽效能的其他因素…………………………………2117.1.7屏蔽总结2147.2电缆屏蔽层接地216
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三相永磁同步电机国标
便于读者对永磁同步电机型式实验项目进行学习，有利于对永磁类电机的技术开发LEPGB/T22669-2008前言本标准参考采用了GB/T1029-2005《三相同步电机试验方法》、GB/T1032—2005《三相异步电动机试验方法》、GB/T13958-2008《无直流励磁绕组同步电动机试验方法》IEC60034-2-1:2007《旋转电机(牵引电机除外)确定损耗和效率的试验方法》和美国标准 IEEE Std112:204《多相感应电动机和发电机试验方法》的相关内容。本标准内容是广泛采用的公认的试验方法适应国际贸易技术交流和经济发展的需要。为满足特殊研究或应用的需要,可按本标准未作规定的附加方法进行试验本标准制定了适用于永磁同步电动机的“B法”测定效率的方法;基准温度采用了IEC6034-21200?的规定;给出了电机性能计算格式等本标准的附录A为规范性附录附录B和附录C为资料性附录。本标准由中国电器工业协会提出本标准由全国旋转电机标准化技术委员会(SAC/TC26)归口。本标准由上海电器科学研究所(集团)有限公可负资起草其他主耍起草单位有:江苏安捷机电技术有限公司、河南特高特电机科技发展有限公司、华北电力大学、广东江门江晟电机有限公司、安徽明腾永磁机电设备有限公司、卧龙电气集团股份有限公司。本标准主要起草人;陈伟华、倪立新、金惟伟、周志民、罗应立、刘华涛、袁福民、鲍周清、朱兴恒温旭、严伟灿、李秀英姚丙雷、张宝强陈亦新本标准为首次发布。EpicGB/T22669-—2008三相永磁同步电动机试验方法范围本标准规定了三相水磁同步电动机的试验方法本标准适用于自起动三相永磁同步电动机,静止变频电源供电的同步电动机试验可参照使用,不适用于有直流励磁绕组的同步电动机。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件,共随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准,然而,戴励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件,其最新版本适用于本标准。GB755—2008旋转电机定额和性能(IEC60034-1:2004,IDT)GB/T1029—2005三相同步电机试验方法GB/T10322005三相异步电动机试验方法GB10068—2008轴中心高为56mm及以上电机的机槭振动振动的测量、评定及限值(IEC60034-14:2003,IDT)GB/T10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分:旋转电机噪声测定方法ISO1680:1999,MOD)GB/T13958-2008无直流励磁绕组同步电动机试验方法1EC60034-2-1:2007旋转电机(牵引电机除外)确定损耗和效率的标准试验方法3主要符号cosq功率因数电源频率(Hz)I1—定子线电流(A)——空毂线电流(A)Ik—堵转线电流〔A额定电流(A)—直流电机电枢电流(A)K—导体材料在0℃时电阻温度系数的倒数铜K1=235铝K1=225除非另有规定正d——转矩读数修正值(N·m)J——转动惯盘(kg·m2)n—试验时测得的转速(r/min)p一电机的极对数P1-输入功率(W)P2--输出功率(W)Ps--额定(输出)功率(WP铁耗(W)Pt—风摩耗(W)CEPICCB/T22669-2008P—剩余损耗(W)Ps杂散损耗(WPs—空载杂损耗(W)P。—一空载输入功率(W)PK—堵转时的输入功率(WPm—定子绕组在试验温度下P2R损耗(W)Poau空载时在试验温度下定子绕组PR损耗(WPaus—定子绕组在规定温度(0)下IR损耗(WR1——温度为阴1时定子绕组初始端电阻(g)RN-额定负载热试验结束时定子绕组端电阻〔)R:—试验温度下测得(或求得)的定子绕组端电阻()Rs—换算到规定温度()时的定子绕组端电阻(Q)R—-空载试验(锵个电压点)定子绕组端电阻(a)Ta—转矩读数(N·m)T如-—空载(与测力机连接)转矩读数(N·m)T—修正过的转矩(N·m)TK堵转时转矩(N·mT-—在试验电压L,下测得的失步转矩(N·m)TN一一额定电压时的失步转矩(N·m)T—最小转矩(N·mT—在试捡电压U下测得的牵入转矩(N·mTN-一额定电压下的标称牵人转矩N·m)T—异步转矩(N·m)Tx-永磁制动转矩(N·m)U—端电压(v)U。—空载试验端电压(V)Ux堵转试验端电压()Ux—额定电压(v)01—测量初始(玲)电阻R1时的绕组温度℃)a-一额定负载热试验期间测取的定子绕组最高温度℃4-试验时测得的定子绕组最高温度〔℃O.一热试验结束时冷却介质温度(℃日--负载试验时冷却介质温度(℃)标准规定的基准温度(℃0-计算效率时规定的定子绕组温度(℃—空载试验时定子绕组温度(℃)△61--定子绕组温升(K—效率(%)4试验要求4.1试验电游4.1.1电压4.1.1.1电压波形试验电源的谐波电压因数(HVF)应不超过0,02;在进行热试验时应不超过0.015CEpiCCB/T22669-20084.1.1.2电压系统的对称性三相电压系统的负序分量和零序分量均应不超过正序分量的1.0%在进行热试验时,电压系统的负序分量应不超过正序分量的0.5%零序分量的影响应予以排除。4.1.2频率4.1.2.1频率偏差试验期间,电源频率与规定频率之差应在规定频率的士0.3%范围内。1.22频率的稳定性试验期间不允许频率发生快速变化,因为频率快速变化不仅影响被试电机,也会影响到输出测量装置。测量期间频率变化量应小于0.1%42测量仪器4.2.1概述因为大多数仪器的准确度等级通常以满量程的百分数表示。因此,应尽量按实际读数的需要,选择低量程仪表。影响仪器测量结果准确度的因素a)信号源负载;b)引接线校正c)仪器的量程、使用条件和校准。4.2.2电量测量仪器通常,电量测量仪器的准确度应不低于0.5级(满量程,兆欧表除外)。用B法(见10,2,2)测定电机效率时,为保持试验结果的准确性和重复性,要求仪器的准确度等级不低于0.2级(满量程)般来说,电子仪器是多用途的,与无源仪器(非电子式)相比,有非當大的翰入阻抗,无需因仪器自身损耗而修正读数。但高输入阻抗仪器对干扰更为敏感。应依实践经验,采取减少于扰的措施。测盘用仪用互感器的准确度等级应不低于0.2级(满量程)4.2.3转矩测量仪一般试验用转矩测量仪(含测功机和传感器)的准确度等级应不低于0.5级。采用B法(见10.2.2测定效率时,转矩测量仪的准确度等级应不低于0.2级(满量程)4.2.4转速与频率测量仪转速表读数误差在土lr/min以内。频率表的准确度等级应不低于0.1级(满量程)4.2.5电阻测量仪绕组的直流电阻用双臂电桥或单臂电桥,或数字式微欧计测量准确度应不低于0.2级。4.2.6温度测量仪温度测量仪的最大允许误差为士1℃4.3测量要求4.3,1电压测量测量端电压的信号线应接到电机端子,如现场不允许这样连接,应计算由此引起的误差并对读数作校正。取三相电压的算术平均值计算电机性能三相电压的对称性应符合4.1.1.2的要求4.3.2电流测量应同时测量电动机的每相线电流,用三相线电流的算术平均值计算电动机的性能。使用电流互感器时接入二次回路仪器的总阻抗(包括连接导线)应不超过其额定阻抗值对I
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