电路设计噪声系数测量

2020-10-12

对于某些设计人员而言，外部噪声和固有噪声可能是事后才想到的，但是两个源都会使信号质量下降到系统故障的地步。在高速系统，高频模拟系统或混合信号系统中工作会导致易受不同形式噪声的影响。数字系统相对不受与辐射EMI /串扰无关的固有噪声源的干扰，但是如果噪声太强，则模拟和混合信号系统可能会失效。

作为设计师，您如何处理噪声，如何量化系统中的噪声？关键是通过噪声系数测量，这需要直接从感兴趣的组件中收集。应该使用一些基本技术来收集噪声系数测量值，然后可以使用这些技术为系统进行一些智能过滤，放大和信号处理选择。

一旦确定了噪声过多的有害组件或信号源，就该对原理图和/或布局进行更改了。使用正确的电路设计工具和PCB布局工具集，您可以轻松地使用新组件修改系统，以为信号产生更高的信噪比（SNR）值。看看我们的噪声系数测量指南，可以更好地了解它们与电路设计和PCB布局的关系。

尽管从概念上讲噪声很容易理解，但是正确测量噪声需要了解一些有关噪声的知识。这是因为不同类型的噪声表现出不同的时间和频谱行为。例如，随机宽带噪声需要宽带测量才能获得噪声功率密度的准确测量。相反，由于来自不同组件的串扰或EMI，电路中可能会接收到噪声，这需要在狭窄的频率范围内进行测量。

通常，您可以在具有多个端口（输入和输出）的任何电子系统上进行噪声系数测量。示例包括单个组件，多个组件的电路或在PCB上布置多个电路的整个系统。各个无源元件（例如电阻器和电容器）和有源器件可以用作DUT，以进行噪声系数测量。只要该设备至少具有一个输入和输出，就可以用于噪声系数测量。

下图显示了一般的噪声测量图。请注意，此图显示了2端口设备（1个输入和1个输出）的典型设置。此外，DUT通常放置在法拉第笼中，以将其与外部辐射EMI隔离。多个端口设备也可以使用此设置进行测试；在运行期间，耦合器阶跃将连接到负载，开路（NC）或短路（接地），以根据需要模拟输入上不同类型的端接。

噪声系数测量的典型设置。

此测量的目的是检查DUT如何产生自己的噪声，该噪声会叠加在分析仪产生的噪声上。典型的噪声系数测量需要先对分析仪进行校准，以解决分析仪产生的噪声，然后再检查DUT如何为测量增加额外的噪声。另一种噪声系数测量技术是在噪声源和DUT之间使用网络分析仪，这需要它自己的测量技术。

当来自噪声源的噪声通过DUT时，通过测量DUT输入（没有DUT时）的SNR值和DUT输出（带有DUT）时的SNR来计算噪声系数。然后可以使用以下公式计算以dB为单位的噪声系数（NF）：

噪声系数公式。

NF值越接近0 dB，产生的噪声越少。所有组件都会在不同的频率上产生一些噪声，这些噪声会叠加在来自噪声源的噪声上。这里的关键是正确量化噪声，以便可以从测量结果确定噪声系数，并将其与系统规格进行比较。这需要考虑不同的噪声源，并尝试确定噪声系数测量中何时存在噪声源。

系统中的噪声源

电子系统中的噪声有两种主要类型：随机噪声和确定性噪声。由于构成电流的电子的量子性质，随机噪声源包含遵循随机过程的所有事物。确定性噪声源（例如，传导和辐射EMI）更易于测量，并且如果它们传播到输出，则可以包含在噪声系数测量中。

请注意，EMI不必来自设备的外部，但它可以作为串扰，传导性EMI或封装内的辐射EMI传递到DUT内部的输出。噪声系数测量和仿真的目标是检查噪声通过DUT时SNR值如何变化，以及噪声如何叠加在输出信号上。

随机噪声源

纯电阻DUT的噪声分布在整个频域上均匀分布。但是，实际的DUT及其制造所用的组件并非纯粹是电阻性的。因此，RMS噪声电平可能是频率的复杂函数。尽管可以通过使用系统中具有较低电阻的组件来降低热噪声电压，但始终会存在热噪声并且无法消除。使用电抗组件是一个更复杂的问题，因为系统中产生的宽带噪声将是频率的函数。

确定性噪声源

DUT的输出中也可能存在各种确定性噪声源，这些噪声源将在噪声系数测量期间捕获。这些确定性噪声源通常是窄带（在单个频率上），或者它们分散在多个谐波中。通过在频域中查看从DUT测得的输出信号，可以从噪声系数测量中识别出明显的噪声源。确定性噪声包括来自不同电路模块的EMI，它们以传导噪声的形式到达输出。

然后可以使用电路仿真套件将这两个噪声源与所需的波形和噪声系数测量值进行比较。原理图编辑器中将内置用于电路仿真和分析的最佳工具，以便您可以快速识别可能的设计更改。

电路仿真和设计工具

一旦完成了噪声系数测量并确定了在系统输出中看到的潜在噪声源，就可以修改电路原理图，以便消除噪声源了。噪声永远无法完全消除，但是可以通过多种方法降低噪声。要确定哪种方法适合降低系统中的噪声，需要考虑各种随机噪声源，并分别进行处理。

随机噪声的频域与时域仿真

修改原理图后，您可以执行一些仿真来检查不同频率的噪声如何在DUT的输出端出现。查看频域中的输出信号可为您提供检查衰减和放大所需的数据。对于线性DUT，可以构造一个传递函数，该函数将告诉您不同的噪声分量在通过线性DUT时如何衰减或放大。扫频是用于检查窄带和宽带噪声将如何通过DUT传播并出现在输出中的主要工具。

由于随机噪声是在时域中生成的，因此您可以检查傅立叶变换如何在频域中创建噪声。将噪声波形的傅立叶频谱乘以传递函数后，即可测量系统中的本底噪声。该本底噪声加上所需信号的傅立叶频谱给出了一个新频谱，该频谱显示了DUT的输出，从中可以确定输出SNR值。如果愿意，可以使用傅立叶逆变换将输出的噪声信号转换回时域。

模拟确定性噪声

虽然不能直接在SPICE封装中模拟发射的辐射，但是可以模拟在不同电路模块中接收到的信号如何在DUT的输出端产生噪声。在仿真过程中，您可以将理想信号与频域中的噪声信号进行比较，还可以提取SNR值。然后，您可以将其与噪声系数测量值进行比较，以确定哪些类型的噪声可能在输出上产生过多的噪声。在电路仿真中，可以使用类似的策略来检查EMI和EMC。

简单的设计更改（例如输入或输出处的EMI滤波器电路）可能有助于减少特定频率下的过多确定性噪声。使用具有不同阻抗值的组件可以减少系统中的热噪声。无法在SPICE软件包中直接模拟系统中的其他物理过程，因此需要从测量中进行分析。示例包括1 / f噪声，布朗噪声和散粒噪声。一旦确定了测量和模拟的噪声源，就可以使用Cadence的设计工具根据需要修改系统。