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技術(shù)專題
電路設(shè)計中的噪聲衰減辦法
噪聲衰減措施在電路設(shè)計的其他領(lǐng)域與音頻一樣重要，但是實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型無關(guān)。除濾波外，還應(yīng)采取其他措施來消除噪聲。
信號噪聲衰減
當(dāng)然，信號完整性的目標(biāo)是能夠保留和預(yù)測電子設(shè)備信號的實際行為。因此，當(dāng)我討論電路設(shè)計的信號噪聲衰減時，我正在研究會影響電子設(shè)備整體信號質(zhì)量和健康狀況的相互沖突的噪聲源數(shù)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(dāng)您承擔(dān)去除隨機(jī)噪聲源的任務(wù)時，噪聲衰減變得更加棘手。
隨機(jī)噪聲衰減
在處理信號時，您可能會遇到的一種較困難的情況是，在保留信號的同時仍要消除潛在的隨機(jī)噪聲和干擾源。許多濾波技術(shù)雖然可以有效消除隨機(jī)噪聲源，但要帶走一些有用的信號會產(chǎn)生一定的成本。
下面，我將討論隨機(jī)噪聲衰減的不同類型以及考慮圍繞它們進(jìn)行電路設(shè)計的一些方法。
熱噪聲
由于溫度波動而產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲只能通過冷卻組件來衰減。對于大多數(shù)組件，例如具有中等輸入/輸出阻抗的邏輯門，熱噪聲不是主要問題，因為這些組件中的噪聲容限遠(yuǎn)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，熱噪聲波動通常約為nV。
當(dāng)使用具有高輸入阻抗的寬帶組件時，熱噪聲成為一個真正的問題。即使在熱噪聲波動達(dá)到mV級別的極端情況下，該噪聲源仍可能不會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(dāng)1 kHz可以工作時，沒有理由使用1 GHz帶寬組件。請注意，這將使熱噪聲波動降低1000倍。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器
使用高精度ADC時，噪聲源尤其成問題。在分辨率較低的ADC中，數(shù)字輸出電平之間的間隔可能大于熱噪聲波動，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(dāng)，這會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，因為這會將噪聲功率分布在更寬的Nyquist采樣帶寬上，然后使輸出通過數(shù)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噪聲成分是散粒噪聲，散粒噪聲是由于構(gòu)成電流的電子的量化而產(chǎn)生的。這是另一個不可避免的噪聲源，盡管在大多數(shù)系統(tǒng)中通常會被熱噪聲掩蓋。
相位噪聲（或數(shù)字電路中的時序抖動）是由時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鐘脈沖流，則時序抖動將與熱噪聲成正比。對于晶體振蕩器，您將需要使用電氣和機(jī)械補償來減少輸出中的變化。
雜散諧波含量作為噪聲
諸如RF濾波器/放大器或其他非線性組件之類的組件和電路可能會在輸出上產(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諧波。這是由于非線性組件（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(diào)頻信號的RF功率放大器中會出現(xiàn)這個問題。
這些雜散諧波會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濾。如果將單個諧波輸入到放大器，則輸出上的諧波含量將以輸入頻率的整數(shù)倍存在，因此簡單的低通或帶通濾波就足夠了。對于調(diào)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減少互調(diào)產(chǎn)物?；蛘?，您可以將輸入信號置于較低的水平。
電源導(dǎo)軌上的噪音
電源軌上的噪聲有兩種形式：來自開關(guān)穩(wěn)壓器的紋波或開關(guān)噪聲，以及由于開關(guān)引起的瞬態(tài)振蕩。通常，穩(wěn)壓器輸出兩端的電容器充當(dāng)?shù)屯V波器來調(diào)節(jié)DC電壓，但是在穩(wěn)壓器中的其他位置進(jìn)行切換仍會在穩(wěn)壓器下游的電源線上產(chǎn)生噪聲。在調(diào)節(jié)器輸出上放置一個高階，非常窄的帶阻濾波器，使其中心頻率恰好等于開關(guān)頻率，可以極大地抑制開關(guān)噪聲。
該電源濾波器可以在開關(guān)頻率處提供噪聲衰減，但不能正確解決PDN上的瞬變。
其他噪聲問題，例如下游組件中的相位噪聲（即，時序抖動），是由電源軌上的電源完整性問題引起的。PCB中的PDN實際上是一個復(fù)雜的RLC網(wǎng)絡(luò)，在阻抗譜中具有多個諧振和反諧振，并且PDN阻抗譜的結(jié)構(gòu)取決于PDN拓?fù)洌?，取決于您的PDN的幾何形狀）。
這樣，只要組件在兩個輸出信號電平之間切換，就可以在PDN上引起瞬態(tài)響應(yīng)。這在具有高門數(shù)和低工作電壓（~1 V）的PLD中尤其成問題。這些組件吸收大電流，并且會在電路設(shè)計不當(dāng)?shù)?span lang="EN-US">PDN上引起大紋波，從而導(dǎo)致高BER。
盡管可以在測試試樣上進(jìn)行測量，但電源線上的瞬態(tài)響應(yīng)很難預(yù)測。可能有人認(rèn)為，這里的解決方案是在每個組件的電源和接地引腳上的瞬態(tài)振蕩頻率上準(zhǔn)確地放置一個帶阻濾波器，但是這種不合理的解決方案會增加組件數(shù)并占用電路板空間。更好的解決方案是執(zhí)行以下操作：
1、將相關(guān)帶寬中的阻抗降低到某個目標(biāo)值以下。這可能相當(dāng)復(fù)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(yán)重抑制或過度抑制瞬態(tài)響應(yīng)。這就是為什么高速電路除了標(biāo)準(zhǔn)去耦電容器之外，還需要大功率和接地層來進(jìn)行充分去耦的原因之一。除了適當(dāng)?shù)娜ヱ钪?，您還可以實現(xiàn)一個包含去耦電容器的RLC去耦網(wǎng)絡(luò)。目的是使瞬態(tài)響應(yīng)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(shè)計和分析軟件在PCB中實施正確的噪聲衰減措施。