電路設計噪聲系數測量

2020-10-12

對于某些設計人員而言，外部噪聲和固有噪聲可能是事后才想到的，但是兩個(gè)源都會(huì )使信號質(zhì)量下降到系統故障的地步。在高速系統，高頻模擬系統或混合信號系統中工作會(huì )導致易受不同形式噪聲的影響。數字系統相對不受與輻射EMI /串擾無(wú)關(guān)的固有噪聲源的干擾，但是如果噪聲太強，則模擬和混合信號系統可能會(huì )失效。

作為設計師，您如何處理噪聲，如何量化系統中的噪聲？關(guān)鍵是通過(guò)噪聲系數測量，這需要直接從感興趣的組件中收集。應該使用一些基本技術(shù)來(lái)收集噪聲系數測量值，然后可以使用這些技術(shù)為系統進(jìn)行一些智能過(guò)濾，放大和信號處理選擇。

一旦確定了噪聲過(guò)多的有害組件或信號源，就該對原理圖和/或布局進(jìn)行更改了。使用正確的電路設計工具和PCB布局工具集，您可以輕松地使用新組件修改系統，以為信號產(chǎn)生更高的信噪比（SNR）值?？纯次覀兊脑肼曄禂禍y量指南，可以更好地了解它們與電路設計和PCB布局的關(guān)系。

盡管從概念上講噪聲很容易理解，但是正確測量噪聲需要了解一些有關(guān)噪聲的知識。這是因為不同類(lèi)型的噪聲表現出不同的時(shí)間和頻譜行為。例如，隨機寬帶噪聲需要寬帶測量才能獲得噪聲功率密度的準確測量。相反，由于來(lái)自不同組件的串擾或EMI，電路中可能會(huì )接收到噪聲，這需要在狹窄的頻率范圍內進(jìn)行測量。

通常，您可以在具有多個(gè)端口（輸入和輸出）的任何電子系統上進(jìn)行噪聲系數測量。示例包括單個(gè)組件，多個(gè)組件的電路或在PCB上布置多個(gè)電路的整個(gè)系統。各個(gè)無(wú)源元件（例如電阻器和電容器）和有源器件可以用作DUT，以進(jìn)行噪聲系數測量。只要該設備至少具有一個(gè)輸入和輸出，就可以用于噪聲系數測量。

下圖顯示了一般的噪聲測量圖。請注意，此圖顯示了2端口設備（1個(gè)輸入和1個(gè)輸出）的典型設置。此外，DUT通常放置在法拉第籠中，以將其與外部輻射EMI隔離。多個(gè)端口設備也可以使用此設置進(jìn)行測試；在運行期間，耦合器階躍將連接到負載，開(kāi)路（NC）或短路（接地），以根據需要模擬輸入上不同類(lèi)型的端接。

噪聲系數測量的典型設置。

此測量的目的是檢查DUT如何產(chǎn)生自己的噪聲，該噪聲會(huì )疊加在分析儀產(chǎn)生的噪聲上。典型的噪聲系數測量需要先對分析儀進(jìn)行校準，以解決分析儀產(chǎn)生的噪聲，然后再檢查DUT如何為測量增加額外的噪聲。另一種噪聲系數測量技術(shù)是在噪聲源和DUT之間使用網(wǎng)絡(luò )分析儀，這需要它自己的測量技術(shù)。

當來(lái)自噪聲源的噪聲通過(guò)DUT時(shí)，通過(guò)測量DUT輸入（沒(méi)有DUT時(shí)）的SNR值和DUT輸出（帶有DUT）時(shí)的SNR來(lái)計算噪聲系數。然后可以使用以下公式計算以dB為單位的噪聲系數（NF）：

噪聲系數公式。

NF值越接近0 dB，產(chǎn)生的噪聲越少。所有組件都會(huì )在不同的頻率上產(chǎn)生一些噪聲，這些噪聲會(huì )疊加在來(lái)自噪聲源的噪聲上。這里的關(guān)鍵是正確量化噪聲，以便可以從測量結果確定噪聲系數，并將其與系統規格進(jìn)行比較。這需要考慮不同的噪聲源，并嘗試確定噪聲系數測量中何時(shí)存在噪聲源。

系統中的噪聲源

電子系統中的噪聲有兩種主要類(lèi)型：隨機噪聲和確定性噪聲。由于構成電流的電子的量子性質(zhì)，隨機噪聲源包含遵循隨機過(guò)程的所有事物。確定性噪聲源（例如，傳導和輻射EMI）更易于測量，并且如果它們傳播到輸出，則可以包含在噪聲系數測量中。

請注意，EMI不必來(lái)自設備的外部，但它可以作為串擾，傳導性EMI或封裝內的輻射EMI傳遞到DUT內部的輸出。噪聲系數測量和仿真的目標是檢查噪聲通過(guò)DUT時(shí)SNR值如何變化，以及噪聲如何疊加在輸出信號上。

隨機噪聲源

純電阻DUT的噪聲分布在整個(gè)頻域上均勻分布。但是，實(shí)際的DUT及其制造所用的組件并非純粹是電阻性的。因此，RMS噪聲電平可能是頻率的復雜函數。盡管可以通過(guò)使用系統中具有較低電阻的組件來(lái)降低熱噪聲電壓，但始終會(huì )存在熱噪聲并且無(wú)法消除。使用電抗組件是一個(gè)更復雜的問(wèn)題，因為系統中產(chǎn)生的寬帶噪聲將是頻率的函數。

確定性噪聲源

DUT的輸出中也可能存在各種確定性噪聲源，這些噪聲源將在噪聲系數測量期間捕獲。這些確定性噪聲源通常是窄帶（在單個(gè)頻率上），或者它們分散在多個(gè)諧波中。通過(guò)在頻域中查看從DUT測得的輸出信號，可以從噪聲系數測量中識別出明顯的噪聲源。確定性噪聲包括來(lái)自不同電路模塊的EMI，它們以傳導噪聲的形式到達輸出。

然后可以使用電路仿真套件將這兩個(gè)噪聲源與所需的波形和噪聲系數測量值進(jìn)行比較。原理圖編輯器中將內置用于電路仿真和分析的最佳工具，以便您可以快速識別可能的設計更改。

電路仿真和設計工具

一旦完成了噪聲系數測量并確定了在系統輸出中看到的潛在噪聲源，就可以修改電路原理圖，以便消除噪聲源了。噪聲永遠無(wú)法完全消除，但是可以通過(guò)多種方法降低噪聲。要確定哪種方法適合降低系統中的噪聲，需要考慮各種隨機噪聲源，并分別進(jìn)行處理。

隨機噪聲的頻域與時(shí)域仿真

修改原理圖后，您可以執行一些仿真來(lái)檢查不同頻率的噪聲如何在DUT的輸出端出現。查看頻域中的輸出信號可為您提供檢查衰減和放大所需的數據。對于線(xiàn)性DUT，可以構造一個(gè)傳遞函數，該函數將告訴您不同的噪聲分量在通過(guò)線(xiàn)性DUT時(shí)如何衰減或放大。掃頻是用于檢查窄帶和寬帶噪聲將如何通過(guò)DUT傳播并出現在輸出中的主要工具。

由于隨機噪聲是在時(shí)域中生成的，因此您可以檢查傅立葉變換如何在頻域中創(chuàng )建噪聲。將噪聲波形的傅立葉頻譜乘以傳遞函數后，即可測量系統中的本底噪聲。該本底噪聲加上所需信號的傅立葉頻譜給出了一個(gè)新頻譜，該頻譜顯示了DUT的輸出，從中可以確定輸出SNR值。如果愿意，可以使用傅立葉逆變換將輸出的噪聲信號轉換回時(shí)域。

模擬確定性噪聲

雖然不能直接在SPICE封裝中模擬發(fā)射的輻射，但是可以模擬在不同電路模塊中接收到的信號如何在DUT的輸出端產(chǎn)生噪聲。在仿真過(guò)程中，您可以將理想信號與頻域中的噪聲信號進(jìn)行比較，還可以提取SNR值。然后，您可以將其與噪聲系數測量值進(jìn)行比較，以確定哪些類(lèi)型的噪聲可能在輸出上產(chǎn)生過(guò)多的噪聲。在電路仿真中，可以使用類(lèi)似的策略來(lái)檢查EMI和EMC。

簡(jiǎn)單的設計更改（例如輸入或輸出處的EMI濾波器電路）可能有助于減少特定頻率下的過(guò)多確定性噪聲。使用具有不同阻抗值的組件可以減少系統中的熱噪聲。無(wú)法在SPICE軟件包中直接模擬系統中的其他物理過(guò)程，因此需要從測量中進(jìn)行分析。示例包括1 / f噪聲，布朗噪聲和散粒噪聲。一旦確定了測量和模擬的噪聲源，就可以使用Cadence的設計工具根據需要修改系統。