PCB设计减少本底噪声

2020-03-24

在PCB设计时无法避免噪声。明智的PCB设计选择可(kě)以帮助你的系统减少本底噪声。在采集敏感测量值的系统和其他(tā)通信系统中，肯定希望本底噪声减少到底。

電(diàn)子元件中还有(yǒu)其他(tā)不可(kě)避免的固有(yǒu)噪声源，它们会与热噪声一起出现。这会创建一个复杂的噪声环境，可(kě)能(néng)难以分(fēn)析，尤其是当電(diàn)子系统中存在其他(tā)噪声源时。这是本底噪声如何确定希望在電(diàn)子系统中看到的

较低噪声水平以及在实际PCB中可(kě)以测量的很(hěn)低噪声水平。

是什么决定了本底噪声？

PCB设计中的系统的温度决定了本底噪声。当系统温度较高时，本底噪声将较高。当我们说本底噪声时，我们指的是与一般本底噪声相同的想法。在没有(yǒu)任何宽带噪声源，1 / f噪声或布朗噪声的情况下，你希望在電(diàn)子系统中测量的最小(xiǎo)噪声水平是热噪声基底。

通常，由于存在多(duō)种本征噪声源，因此分(fēn)析噪声可(kě)能(néng)很(hěn)困难，并且这些本征噪声源是不同系统所独有(yǒu)的。也许最重要的方面是描述低频下1 / f噪声和布朗噪声的行為(wèi)。描述1 / f噪声和布朗噪声的一般统计性质的随机模型的开发已成為(wèi)近一个世纪以来的活跃研究领域。这些模型已用(yòng)于描述電(diàn)子，光學(xué)，金融，经济學(xué)，生物(wù)學(xué)和其他(tā)领域的噪声行為(wèi)。

在電(diàn)子系统中，当测量参考電(diàn)阻两端的電(diàn)压时，本底噪声将以足够高的频率显示。在低频下，1 / f噪声和布朗噪声将占主导地位，并且这些噪声源对于正在研究的特定系统而言是唯一的。在足够高的電(diàn)流下避免散粒噪声时，可(kě)以测量的3种主要本征噪声源是热噪声，1 / f噪声和布朗噪声。 这些源的时间波形和功率谱密度如下所示。

 

電(diàn)子電(diàn)路中的噪声类型及其功率谱密度

何时本底噪声占主导地位？

随着1 / f噪声和布朗噪声随着频率增加而下降，最终本底噪声将收敛到热本底噪声。任何比本底噪声强度更大的噪声源都将位于本底噪声上方，并且可(kě)以在频谱分(fēn)析仪的测量中轻松看到。

如果看一下热噪声带宽的公式，你会发现热噪声波动与温度的平方根成正比。電(diàn)压波动与所检查系统的戴维宁電(diàn)阻成正比，但是热噪声功率谱密度是一个与温度成正比的常数（以开尔文(wén)為(wèi)单位）。换句话说，将系统温度提高20％将这些波动提高20％。

如果查看组件的数据手册，则热噪声值通常约為(wèi)nV /√Hz。你测量的本底噪声将取决于仪器的带宽。本底噪声仅在大于某个转折频率的频率中占主导地位。这是1 / f噪声近似等于本底噪声的频率。由于1 / f噪声在很(hěn)大程度上取决于特定電(diàn)子系统的结构，因此没有(yǒu)通用(yòng)的，封闭形式的解决方案可(kě)用(yòng)于计算此转折频率。

一个简单的示例，显示了从1 / f噪声到热噪声（又(yòu)称白噪声）的过渡

PCB设计时可(kě)以降低本底噪声吗？

简单的答(dá)案是肯定的，但不是很(hěn)多(duō)。在没有(yǒu)其他(tā)所有(yǒu)噪声源的情况下，最小(xiǎo)的本底噪声将始终是热本底噪声，只能(néng)通过降低组件的温度来降低本底噪声。如果查看组件数据表，通常会在超出建议工作温度的较宽温度范围内指定系统的本底噪声。

本底噪声及其带宽在RF前端接收器電(diàn)路，精密光學(xué)传感器和其他(tā)以非常低的電(diàn)压（小(xiǎo)于mV）输出的传感器中非常重要。但是，在大多(duō)数以mV電(diàn)平运行的系统中，你可(kě)能(néng)不会注意到热噪声。对于具有(yǒu)100 nV RMS热噪声的1 mV信号，SNR值為(wèi)40 dB，对于许多(duō)应用(yòng)来说已经足够。

如果要检查信号链中放大和滤波阶段的影响，则需要使用(yòng)一些基本的仿真工具。噪声将非常低，以至于任何组件都将在線(xiàn)性范围内工作，从而使得在穿越信号链时模拟宽带噪声的行為(wèi)变得非常容易。為(wèi)了确定信号链中应使用(yòng)的增益，应始终在带有(yǒu)放大器的電(diàn)子系统中模拟噪声。

当需要模拟系统的热行為(wèi)并检查热本底噪声如何影响PCB中的信号行為(wèi)时，你需要使用(yòng)正确的PCB设计和分(fēn)析软件。

上海韬放電(diàn)子提供专业的PCB设计服務(wù)，如果您有(yǒu)这方面的需求，请与我们联系。