電(diàn)路设计中的噪声衰减办法

2020-03-23

噪声衰减措施在電(diàn)路设计的其他(tā)领域与音频一样重要，但是实施有(yǒu)效的噪声衰减方案取决于正确识别噪声源。如果您可(kě)以识别不同電(diàn)子元件和電(diàn)路中的噪声源，那么您可(kě)以采取正确的步骤来减少不同電(diàn)路中噪声的影响。稍后我们将看到，某些噪声源与我们倾向于在電(diàn)子产品中讨论的典型噪声类型无关。除滤波外，还应采取其他(tā)措施来消除噪声。

信号噪声衰减

当然，信号完整性的目标是能(néng)够保留和预测電(diàn)子设备信号的实际行為(wèi)。因此，当我讨论電(diàn)路设计的信号噪声衰减时，我正在研究会影响電(diàn)子设备整體(tǐ)信号质量和健康状况的相互冲突的噪声源数量。

尽管期望的噪声仍然很(hěn)难平衡或容纳在任何印刷電(diàn)路板或IC中，但是当您承担去除随机噪声源的任務(wù)时，噪声衰减变得更加棘手。

随机噪声衰减

在处理(lǐ)信号时，您可(kě)能(néng)会遇到的一种较困难的情况是，在保留信号的同时仍要消除潜在的随机噪声和干扰源。许多(duō)滤波技术虽然可(kě)以有(yǒu)效消除随机噪声源，但要带走一些有(yǒu)用(yòng)的信号会产生一定的成本。

下面，我将讨论随机噪声衰减的不同类型以及考虑围绕它们进行電(diàn)路设计的一些方法。

热噪声

由于温度波动而产生的随机噪声只能(néng)通过冷却组件来衰减。对于大多(duō)数组件，例如具有(yǒu)中等输入/输出阻抗的逻辑门，热噪声不是主要问题，因為(wèi)这些组件中的噪声容限遠(yuǎn)大于热噪声功率谱密度。对于具有(yǒu)低输入阻抗和窄带宽的组件和電(diàn)路，热噪声波动通常约為(wèi)nV。

当使用(yòng)具有(yǒu)高输入阻抗的宽带组件时，热噪声成為(wèi)一个真正的问题。即使在热噪声波动达到mV级别的极端情况下，该噪声源仍可(kě)能(néng)不会干扰具有(yǒu)足够高噪声余量的逻辑電(diàn)路运行。以5 V运行的TTL组件就是一个很(hěn)好的例子。如果需要高精度，则需要使用(yòng)带宽较小(xiǎo)的组件。当1 kHz可(kě)以工作时，没有(yǒu)理(lǐ)由使用(yòng)1 GHz带宽组件。请注意，这将使热噪声波动降低1000倍。

模数转换器

使用(yòng)高精度ADC时，噪声源尤其成问题。在分(fēn)辨率较低的ADC中，数字输出電(diàn)平之间的间隔可(kě)能(néng)大于热噪声波动，因此错误率将非常低。在非常高的分(fēn)辨率下，输入信号上的噪声可(kě)能(néng)与分(fēn)辨率相当，这会增加输出中的量化误差。此处的一种解决方案是提高采样率，因為(wèi)这会将噪声功率分(fēn)布在更宽的Nyquist采样带宽上，然后使输出通过数字带通滤波器。

散粒噪声和相位噪声

在非常高的频率和低温下变得重要的另一个噪声成分(fēn)是散粒噪声，散粒噪声是由于构成電(diàn)流的電(diàn)子的量化而产生的。这是另一个不可(kě)避免的噪声源，尽管在大多(duō)数系统中通常会被热噪声掩盖。

相位噪声（或数字電(diàn)路中的时序抖动）是由时钟源的变化以及热噪声引起的。如果使用(yòng)比较器从参考電(diàn)压生成时钟脉冲流，则时序抖动将与热噪声成正比。对于晶體(tǐ)振荡器，您将需要使用(yòng)電(diàn)气和机械补偿来减少输出中的变化。

杂散谐波含量作為(wèi)噪声

诸如RF滤波器/放大器或其他(tā)非線(xiàn)性组件之类的组件和電(diàn)路可(kě)能(néng)会在输出上产生杂散谐波成分(fēn)，在该杂散谐波成分(fēn)中，除了所需信号之外，还可(kě)以在频谱中看到多(duō)个谐波。这是由于非線(xiàn)性组件（即基于晶體(tǐ)管的组件）中产生谐波而引起的。例如，在用(yòng)于调频信号的RF功率放大器中会出现这个问题。

这些杂散谐波会像噪声一样作用(yòng)于带宽较宽的下游组件。去除杂散谐波含量需要过滤。如果将单个谐波输入到放大器，则输出上的谐波含量将以输入频率的整数倍存在，因此简单的低通或带通滤波就足够了。对于调频信号，您可(kě)以尝试使用(yòng)以载波频率為(wèi)中心的高阶带通滤波器来减少互调产物(wù)。或者，您可(kě)以将输入信号置于较低的水平。

電(diàn)源导轨上的噪音

電(diàn)源轨上的噪声有(yǒu)两种形式：来自开关稳压器的纹波或开关噪声，以及由于开关引起的瞬态振荡。通常，稳压器输出两端的電(diàn)容器充当低通滤波器来调节DC電(diàn)压，但是在稳压器中的其他(tā)位置进行切换仍会在稳压器下游的電(diàn)源線(xiàn)上产生噪声。在调节器输出上放置一个高阶，非常窄的带阻滤波器，使其中心频率恰好等于开关频率，可(kě)以极大地抑制开关噪声。

该電(diàn)源滤波器可(kě)以在开关频率处提供噪声衰减，但不能(néng)正确解决PDN上的瞬变。

其他(tā)噪声问题，例如下游组件中的相位噪声（即，时序抖动），是由電(diàn)源轨上的電(diàn)源完整性问题引起的。PCB中的PDN实际上是一个复杂的RLC网络，在阻抗谱中具有(yǒu)多(duō)个谐振和反谐振，并且PDN阻抗谱的结构取决于PDN拓扑（即，取决于您的PDN的几何形状）。

这样，只要组件在两个输出信号電(diàn)平之间切换，就可(kě)以在PDN上引起瞬态响应。这在具有(yǒu)高门数和低工作電(diàn)压（~1 V）的PLD中尤其成问题。这些组件吸收大電(diàn)流，并且会在電(diàn)路设计不当的PDN上引起大纹波，从而导致高BER。

尽管可(kě)以在测试试样上进行测量，但電(diàn)源線(xiàn)上的瞬态响应很(hěn)难预测。可(kě)能(néng)有(yǒu)人认為(wèi)，这里的解决方案是在每个组件的電(diàn)源和接地引脚上的瞬态振荡频率上准确地放置一个带阻滤波器，但是这种不合理(lǐ)的解决方案会增加组件数并占用(yòng)電(diàn)路板空间。更好的解决方案是执行以下操作：

1、将相关带宽中的阻抗降低到某个目标值以下。这可(kě)能(néng)相当复杂，因為(wèi)它需要知道PDN中任何電(diàn)容性元件的自谐振频率以及寄生電(diàn)容和電(diàn)感。这里的想法是获得尽可(kě)能(néng)低的阻抗值，并尝试将任何阻抗反谐振移至相关带宽之外。

2、尝试严重抑制或过度抑制瞬态响应。这就是為(wèi)什么高速電(diàn)路除了标准去耦電(diàn)容器之外，还需要大功率和接地层来进行充分(fēn)去耦的原因之一。除了适当的去耦之外，您还可(kě)以实现一个包含去耦電(diàn)容器的RLC去耦网络。目的是使瞬态响应更接近临界阻尼状态。

如果您对噪声源有(yǒu)所了解，则可(kě)以使用(yòng)正确的電(diàn)路设计和分(fēn)析软件在PCB中实施正确的噪声衰减措施。