電路設計中的噪聲衰減辦法

2020-03-23

噪聲衰減措施在電路設計的其他領(lǐng)域與音頻一樣重要，但是實(shí)施有效的噪聲衰減方案取決于正確識別噪聲源。如果您可以識別不同電子元件和電路中的噪聲源，那么您可以采取正確的步驟來(lái)減少不同電路中噪聲的影響。稍后我們將看到，某些噪聲源與我們傾向于在電子產(chǎn)品中討論的典型噪聲類(lèi)型無(wú)關(guān)。除濾波外，還應采取其他措施來(lái)消除噪聲。

信號噪聲衰減

當然，信號完整性的目標是能夠保留和預測電子設備信號的實(shí)際行為。因此，當我討論電路設計的信號噪聲衰減時(shí)，我正在研究會(huì )影響電子設備整體信號質(zhì)量和健康狀況的相互沖突的噪聲源數量。

盡管期望的噪聲仍然很難平衡或容納在任何印刷電路板或IC中，但是當您承擔去除隨機噪聲源的任務(wù)時(shí)，噪聲衰減變得更加棘手。

隨機噪聲衰減

在處理信號時(shí)，您可能會(huì )遇到的一種較困難的情況是，在保留信號的同時(shí)仍要消除潛在的隨機噪聲和干擾源。許多濾波技術(shù)雖然可以有效消除隨機噪聲源，但要帶走一些有用的信號會(huì )產(chǎn)生一定的成本。

下面，我將討論隨機噪聲衰減的不同類(lèi)型以及考慮圍繞它們進(jìn)行電路設計的一些方法。

熱噪聲

由于溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的隨機噪聲只能通過(guò)冷卻組件來(lái)衰減。對于大多數組件，例如具有中等輸入/輸出阻抗的邏輯門(mén)，熱噪聲不是主要問(wèn)題，因為這些組件中的噪聲容限遠大于熱噪聲功率譜密度。對于具有低輸入阻抗和窄帶寬的組件和電路，熱噪聲波動(dòng)通常約為nV。

當使用具有高輸入阻抗的寬帶組件時(shí)，熱噪聲成為一個(gè)真正的問(wèn)題。即使在熱噪聲波動(dòng)達到mV級別的極端情況下，該噪聲源仍可能不會(huì )干擾具有足夠高噪聲余量的邏輯電路運行。以5 V運行的TTL組件就是一個(gè)很好的例子。如果需要高精度，則需要使用帶寬較小的組件。當1 kHz可以工作時(shí)，沒(méi)有理由使用1 GHz帶寬組件。請注意，這將使熱噪聲波動(dòng)降低1000倍。

模數轉換器

使用高精度ADC時(shí)，噪聲源尤其成問(wèn)題。在分辨率較低的ADC中，數字輸出電平之間的間隔可能大于熱噪聲波動(dòng)，因此錯誤率將非常低。在非常高的分辨率下，輸入信號上的噪聲可能與分辨率相當，這會(huì )增加輸出中的量化誤差。此處的一種解決方案是提高采樣率，因為這會(huì )將噪聲功率分布在更寬的Nyquist采樣帶寬上，然后使輸出通過(guò)數字帶通濾波器。

散粒噪聲和相位噪聲

在非常高的頻率和低溫下變得重要的另一個(gè)噪聲成分是散粒噪聲，散粒噪聲是由于構成電流的電子的量化而產(chǎn)生的。這是另一個(gè)不可避免的噪聲源，盡管在大多數系統中通常會(huì )被熱噪聲掩蓋。

相位噪聲（或數字電路中的時(shí)序抖動(dòng)）是由時(shí)鐘源的變化以及熱噪聲引起的。如果使用比較器從參考電壓生成時(shí)鐘脈沖流，則時(shí)序抖動(dòng)將與熱噪聲成正比。對于晶體振蕩器，您將需要使用電氣和機械補償來(lái)減少輸出中的變化。

雜散諧波含量作為噪聲

諸如RF濾波器/放大器或其他非線(xiàn)性組件之類(lèi)的組件和電路可能會(huì )在輸出上產(chǎn)生雜散諧波成分，在該雜散諧波成分中，除了所需信號之外，還可以在頻譜中看到多個(gè)諧波。這是由于非線(xiàn)性組件（即基于晶體管的組件）中產(chǎn)生諧波而引起的。例如，在用于調頻信號的RF功率放大器中會(huì )出現這個(gè)問(wèn)題。

這些雜散諧波會(huì )像噪聲一樣作用于帶寬較寬的下游組件。去除雜散諧波含量需要過(guò)濾。如果將單個(gè)諧波輸入到放大器，則輸出上的諧波含量將以輸入頻率的整數倍存在，因此簡(jiǎn)單的低通或帶通濾波就足夠了。對于調頻信號，您可以嘗試使用以載波頻率為中心的高階帶通濾波器來(lái)減少互調產(chǎn)物?；蛘?，您可以將輸入信號置于較低的水平。

電源導軌上的噪音

電源軌上的噪聲有兩種形式：來(lái)自開(kāi)關(guān)穩壓器的紋波或開(kāi)關(guān)噪聲，以及由于開(kāi)關(guān)引起的瞬態(tài)振蕩。通常，穩壓器輸出兩端的電容器充當低通濾波器來(lái)調節DC電壓，但是在穩壓器中的其他位置進(jìn)行切換仍會(huì )在穩壓器下游的電源線(xiàn)上產(chǎn)生噪聲。在調節器輸出上放置一個(gè)高階，非常窄的帶阻濾波器，使其中心頻率恰好等于開(kāi)關(guān)頻率，可以極大地抑制開(kāi)關(guān)噪聲。

該電源濾波器可以在開(kāi)關(guān)頻率處提供噪聲衰減，但不能正確解決PDN上的瞬變。

其他噪聲問(wèn)題，例如下游組件中的相位噪聲（即，時(shí)序抖動(dòng)），是由電源軌上的電源完整性問(wèn)題引起的。PCB中的PDN實(shí)際上是一個(gè)復雜的RLC網(wǎng)絡(luò )，在阻抗譜中具有多個(gè)諧振和反諧振，并且PDN阻抗譜的結構取決于PDN拓撲（即，取決于您的PDN的幾何形狀）。

這樣，只要組件在兩個(gè)輸出信號電平之間切換，就可以在PDN上引起瞬態(tài)響應。這在具有高門(mén)數和低工作電壓（~1 V）的PLD中尤其成問(wèn)題。這些組件吸收大電流，并且會(huì )在電路設計不當的PDN上引起大紋波，從而導致高BER。

盡管可以在測試試樣上進(jìn)行測量，但電源線(xiàn)上的瞬態(tài)響應很難預測?？赡苡腥苏J為，這里的解決方案是在每個(gè)組件的電源和接地引腳上的瞬態(tài)振蕩頻率上準確地放置一個(gè)帶阻濾波器，但是這種不合理的解決方案會(huì )增加組件數并占用電路板空間。更好的解決方案是執行以下操作：

1、將相關(guān)帶寬中的阻抗降低到某個(gè)目標值以下。這可能相當復雜，因為它需要知道PDN中任何電容性元件的自諧振頻率以及寄生電容和電感。這里的想法是獲得盡可能低的阻抗值，并嘗試將任何阻抗反諧振移至相關(guān)帶寬之外。

2、嘗試嚴重抑制或過(guò)度抑制瞬態(tài)響應。這就是為什么高速電路除了標準去耦電容器之外，還需要大功率和接地層來(lái)進(jìn)行充分去耦的原因之一。除了適當的去耦之外，您還可以實(shí)現一個(gè)包含去耦電容器的RLC去耦網(wǎng)絡(luò )。目的是使瞬態(tài)響應更接近臨界阻尼狀態(tài)。

如果您對噪聲源有所了解，則可以使用正確的電路設計和分析軟件在PCB中實(shí)施正確的噪聲衰減措施。