控制模擬和混合信號(hào)電路中的噪聲很重要，也很不簡(jiǎn)單。信號(hào)完整性取決于控制信號(hào)鏈中的噪聲。如果不加控制，噪音會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成干擾甚至影響運(yùn)行。本文將首先介紹各種噪聲源和類型，查看噪聲如何通過(guò)各種組件進(jìn)入信號(hào)鏈，然后再介紹如何利用PCB的布局技巧以幫助控制噪聲，最后回顧一些控制噪聲的技術(shù)。

噪聲可能由各種來(lái)源引起，并表現(xiàn)在一系列頻率、帶寬和頻譜分布中（圖 1）。噪聲以共?；虿钅Ｄ芰康男问匠霈F(xiàn)。它可以起源于系統(tǒng)內(nèi)部，也可以來(lái)自外部來(lái)源。無(wú)論其具體特征或來(lái)源如何，噪聲都是一種不受歡迎的能量形式。

圖 1：噪聲是由各種來(lái)源引起的，可以以各種形狀、大小和頻率表現(xiàn)出來(lái)。（圖片：Altium）

噪聲的來(lái)源和類型

模擬和混合信號(hào)系統(tǒng)中有一系列噪聲源。一些常見的噪聲類型包括白噪聲、粉紅噪聲、約翰遜噪聲、量化噪聲和爆米花噪聲。

白噪聲具有平坦的頻譜并且在整個(gè)頻域中均勻分布。降低帶寬可從模擬信號(hào)中去除白噪聲。將放大器的帶寬降低 N 倍會(huì)以 N 的平方根降低 RMS 白噪聲。

粉紅噪聲，也稱為閃爍或 1/f 噪聲，具有與頻率成反比的頻率依賴性。每個(gè)頻率級(jí)別的粉紅噪聲能量以每倍頻程約 1 到 3 dB 的速度下降。這與在所有頻率水平上具有相同能量的白噪聲形成對(duì)比。因此，粉紅噪聲在低頻時(shí)最強(qiáng)，但在高頻時(shí)，它會(huì)衰減，從而白噪聲成為了主要的噪聲源。在 PCB 級(jí)別設(shè)計(jì)消除粉紅噪聲具有一定的挑戰(zhàn)。

約翰遜噪聲，也稱為熱噪聲，是電子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)激發(fā)，它是溫度的函數(shù)。約翰遜噪聲是不可避免的，只有在絕對(duì)零度時(shí)才能完全消除。

量化噪聲是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 中量化引入誤差的結(jié)果。它是非線性的，并且與信號(hào)相關(guān)。這是由 ADC 的模擬輸入電壓與輸出數(shù)字化值之間的誤差引起的。

爆米花噪聲或突發(fā)噪聲，它是低頻的，是器件缺陷所帶來(lái)的，它是完全隨機(jī)的，因此不可預(yù)測(cè)的。

各種噪聲源是電子元件中固有的，并組合成輸入和輸出的噪聲系數(shù)。噪聲分析可以確定噪聲水平，即為本底噪聲，低于該噪聲水平的任何信號(hào)都將無(wú)法區(qū)分?；ミB或組件的本底噪聲由來(lái)自所有源的輸入噪聲、組件或電路元件的帶寬以及互連或組件的噪聲系數(shù)定義。噪聲可以通過(guò)各種組件進(jìn)入信號(hào)鏈，例如：

ADC，產(chǎn)生熱噪聲和量化噪聲。

產(chǎn)生寬帶和 1/f 噪聲的放大器

電壓基準(zhǔn)，產(chǎn)生寬帶和 1/f 噪聲

抖動(dòng)的時(shí)鐘。

電源，尤其是開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，會(huì)產(chǎn)生各種周期性和隨機(jī)噪聲類型。

將來(lái)自外部源的噪聲耦合到系統(tǒng)中的印刷電路板 (PCB) 布局。

傳感器，將各種外部噪聲傳遞到敏感系統(tǒng)中（圖 2）。

圖 2：傳感器節(jié)點(diǎn)中的噪聲源示例。（圖片：德州儀器）

某些信號(hào)上出現(xiàn)的電流尖峰會(huì)在 PCB 中產(chǎn)生噪聲。在模擬電路中，這些尖峰通常是由負(fù)載電流的變化引起的，而在數(shù)字電路中，電流尖峰是由晶體管開關(guān)引起的。不正確的接地或浮動(dòng)接地也可能導(dǎo)致噪聲。接地尤為重要。在最大信號(hào)頻率為 1MHz 或低頻PCB系統(tǒng)中，一個(gè)簡(jiǎn)單的單個(gè)接地點(diǎn)通常就足夠了。如果涉及更高的頻率，通常需要星形或多點(diǎn)接地架構(gòu)。一些設(shè)計(jì)結(jié)合了低頻模塊的單點(diǎn)接地和高頻模塊的多點(diǎn)接地方案。

圖 3：多點(diǎn)接地是減少噪聲的有效工具。（圖片：Photoelectronics）

在最大限度地減少 PCB 噪聲源和電平時(shí)，元件擺放位置也很重要。一些常見的建議包括：

將功率元件靠近在同一層上可減少通孔之間產(chǎn)生的電感。

高頻元件以盡可能縮短走線長(zhǎng)度。

將去耦電容器放置在盡可能靠近電源引腳的位置，以減少信號(hào)切換產(chǎn)生的電流尖峰并最大限度地減少接地反彈。用于去耦的多層陶瓷電容器 (MLCC) 的選型經(jīng)驗(yàn)法則是在頻率為 15 MHz 時(shí)使用 0.1 μF MLCC，更高頻率時(shí)使用 0.01 μF MLCC。

鑒于噪聲類型和來(lái)源眾多，在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中主動(dòng)降低和控制噪聲非常重要。常見的建議包括：

需要時(shí)使用高階濾波器電路來(lái)控制所需帶寬之外的噪聲。濾波可用于控制模擬噪聲源和控制數(shù)字信號(hào)的上升/下降時(shí)間。

指定上升時(shí)間不能快于減少高頻諧波的比較器等器件。

使用 ADC 進(jìn)行采樣時(shí)，噪聲可以分布在更寬的帶寬上，并且通過(guò)使用更高的采樣率和抗混疊濾波器來(lái)降低總噪聲。

可以通過(guò)指定不超過(guò)必要帶寬的器件來(lái)降低放大器的噪聲，必要時(shí)可以添加濾波以降低有效帶寬。

總結(jié)

噪聲是模擬和混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)中不愿意發(fā)生但是又不可避免的產(chǎn)物。噪聲有各種來(lái)源，并且具有多種能量特征或格式。它可以通過(guò)多種機(jī)制進(jìn)入信號(hào)鏈。噪聲分析可以確定給定設(shè)計(jì)中的預(yù)期噪聲水平，稱為本底噪聲，低于該水平的任何信號(hào)都將無(wú)法區(qū)分。設(shè)計(jì)人員可以使用一系列工具來(lái)控制噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。