电路设计中的噪声衰减办法

2020-03-23

噪声衰减措施在电路设计的其他领域与音频一样重要，但是实施有效的噪声衰减方案取决于正确识别噪声源。如果您可以识别不同电子元件和电路中的噪声源，那么您可以采取正确的步骤来减少不同电路中噪声的影响。稍后我们将看到，某些噪声源与我们倾向于在电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够保留和预测电子设备信号的实际行为。因此，当我讨论电路设计的信号噪声衰减时，我正在研究会影响电子设备整体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难平衡或容纳在任何印刷电路板或IC中，但是当您承担去除随机噪声源的任务时，噪声衰减变得更加棘手。

随机噪声衰减

在处理信号时，您可能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。许多滤波技术虽然可以有效消除随机噪声源，但要带走一些有用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电路设计的一些方法。

热噪声

由于温度波动而产生的随机噪声只能通过冷却组件来衰减。对于大多数组件，例如具有中等输入/输出阻抗的逻辑门，热噪声不是主要问题，因为这些组件中的噪声容限远大于热噪声功率谱密度。对于具有低输入阻抗和窄带宽的组件和电路，热噪声波动通常约为nV。

当使用具有高输入阻抗的宽带组件时，热噪声成为一个真正的问题。即使在热噪声波动达到mV级别的极端情况下，该噪声源仍可能不会干扰具有足够高噪声余量的逻辑电路运行。以5 V运行的TTL组件就是一个很好的例子。如果需要高精度，则需要使用带宽较小的组件。当1 kHz可以工作时，没有理由使用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

使用高精度ADC时，噪声源尤其成问题。在分辨率较低的ADC中，数字输出电平之间的间隔可能大于热噪声波动，因此错误率将非常低。在非常高的分辨率下，输入信号上的噪声可能与分辨率相当，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，因为这会将噪声功率分布在更宽的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是散粒噪声，散粒噪声是由于构成电流的电子的量化而产生的。这是另一个不可避免的噪声源，尽管在大多数系统中通常会被热噪声掩盖。

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

杂散谐波含量作为噪声

诸如RF滤波器/放大器或其他非线性组件之类的组件和电路可能会在输出上产生杂散谐波成分，在该杂散谐波成分中，除了所需信号之外，还可以在频谱中看到多个谐波。这是由于非线性组件（即基于晶体管的组件）中产生谐波而引起的。例如，在用于调频信号的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，您可以尝试使用以载波频率为中心的高阶带通滤波器来减少互调产物。或者，您可以将输入信号置于较低的水平。

电源导轨上的噪音

电源轨上的噪声有两种形式：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，稳压器输出两端的电容器充当低通滤波器来调节DC电压，但是在稳压器中的其他位置进行切换仍会在稳压器下游的电源线上产生噪声。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，可以极大地抑制开关噪声。

该电源滤波器可以在开关频率处提供噪声衰减，但不能正确解决PDN上的瞬变。

其他噪声问题，例如下游组件中的相位噪声（即，时序抖动），是由电源轨上的电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，在阻抗谱中具有多个谐振和反谐振，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电平之间切换，就可以在PDN上引起瞬态响应。这在具有高门数和低工作电压（~1 V）的PLD中尤其成问题。这些组件吸收大电流，并且会在电路设计不当的PDN上引起大纹波，从而导致高BER。

尽管可以在测试试样上进行测量，但电源线上的瞬态响应很难预测。可能有人认为，这里的解决方案是在每个组件的电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，但是这种不合理的解决方案会增加组件数并占用电路板空间。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。这可能相当复杂，因为它需要知道PDN中任何电容性元件的自谐振频率以及寄生电容和电感。这里的想法是获得尽可能低的阻抗值，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。这就是为什么高速电路除了标准去耦电容器之外，还需要大功率和接地层来进行充分去耦的原因之一。除了适当的去耦之外，您还可以实现一个包含去耦电容器的RLC去耦网络。目的是使瞬态响应更接近临界阻尼状态。

如果您对噪声源有所了解，则可以使用正确的电路设计和分析软件在PCB中实施正确的噪声衰减措施。