模拟电路中的噪声是怎么产生的，以及如何控制噪声水平

控制模拟和混合信号电路中的噪声很重要，也很不简单。信号完整性取决于控制信号链中的噪声。如果不加控制，噪音会对系统造成干扰甚至影响运行。本文将首先介绍各种噪声源和类型，查看噪声如何通过各种组件进入信号链，然后再介绍如何利用PCB的布局技巧以帮助控制噪声，最后回顾一些控制噪声的技术。

噪声可能由各种来源引起，并表现在一系列频率、带宽和频谱分布中（图 1）。噪声以共模或差模能量的形式出现。它可以起源于系统内部，也可以来自外部来源。无论其具体特征或来源如何，噪声都是一种不受欢迎的能量形式。

图 1：噪声是由各种来源引起的，可以以各种形状、大小和频率表现出来。 （图片：Altium）

噪声的来源和类型

模拟和混合信号系统中有一系列噪声源。一些常见的噪声类型包括白噪声、粉红噪声、约翰逊噪声、量化噪声和爆米花噪声。

白噪声具有平坦的频谱并且在整个频域中均匀分布。降低带宽可从模拟信号中去除白噪声。将放大器的带宽降低 N 倍会以 N 的平方根降低 RMS 白噪声。

粉红噪声，也称为闪烁或 1/f 噪声，具有与频率成反比的频率依赖性。每个频率级别的粉红噪声能量以每倍频程约 1 到 3 dB 的速度下降。这与在所有频率水平上具有相同能量的白噪声形成对比。因此，粉红噪声在低频时最强，但在高频时，它会衰减，从而白噪声成为了主要的噪声源。在 PCB 级别设计消除粉红噪声具有一定的挑战。

约翰逊噪声，也称为热噪声，是电子运动的随机激发，它是温度的函数。约翰逊噪声是不可避免的，只有在绝对零度时才能完全消除。

量化噪声是模数转换器 (ADC) 中量化引入误差的结果。它是非线性的，并且与信号相关。这是由 ADC 的模拟输入电压与输出数字化值之间的误差引起的。

爆米花噪声或突发噪声，它是低频的，是器件缺陷所带来的，它是完全随机的，因此不可预测的。

各种噪声源是电子元件中固有的，并组合成输入和输出的噪声系数。噪声分析可以确定噪声水平，即为本底噪声，低于该噪声水平的任何信号都将无法区分。互连或组件的本底噪声由来自所有源的输入噪声、组件或电路元件的带宽以及互连或组件的噪声系数定义。噪声可以通过各种组件进入信号链，例如：

• ADC，产生热噪声和量化噪声。
• 产生宽带和 1/f 噪声的放大器
• 电压基准，产生宽带和 1/f 噪声
• 抖动的时钟。
• 电源，尤其是开关模式转换器，会产生各种周期性和随机噪声类型。
• 将来自外部源的噪声耦合到系统中的印刷电路板 (PCB) 布局。
• 传感器，将各种外部噪声传递到敏感系统中（图 2）。

图 2：传感器节点中的噪声源示例。 （图片：德州仪器）

某些信号上出现的电流尖峰会在 PCB 中产生噪声。在模拟电路中，这些尖峰通常是由负载电流的变化引起的，而在数字电路中，电流尖峰是由晶体管开关引起的。不正确的接地或浮动接地也可能导致噪声。接地尤为重要。在最大信号频率为 1MHz 或低频PCB系统中，一个简单的单个接地点通常就足够了。如果涉及更高的频率，通常需要星形或多点接地架构。一些设计结合了低频模块的单点接地和高频模块的多点接地方案。

图 3：多点接地是减少噪声的有效工具。 （图片：Photoelectronics）

在最大限度地减少 PCB 噪声源和电平时，元件摆放位置也很重要。一些常见的建议包括：

• 将功率元件靠近在同一层上可减少通孔之间产生的电感。
• 高频元件以尽可能缩短走线长度。
• 将去耦电容器放置在尽可能靠近电源引脚的位置，以减少信号切换产生的电流尖峰并最大限度地减少接地反弹。用于去耦的多层陶瓷电容器 (MLCC) 的选型经验法则是在频率为 15 MHz 时使用 0.1 µF MLCC，更高频率时使用 0.01 µF MLCC。

鉴于噪声类型和来源众多，在模拟和混合信号设计中主动降低和控制噪声非常重要。常见的建议包括：

• 需要时使用高阶滤波器电路来控制所需带宽之外的噪声。滤波可用于控制模拟噪声源和控制数字信号的上升/下降时间。
• 指定上升时间不能快于减少高频谐波的比较器等器件。
• 使用 ADC 进行采样时，噪声可以分布在更宽的带宽上，并且通过使用更高的采样率和抗混叠滤波器来降低总噪声。
• 可以通过指定不超过必要带宽的器件来降低放大器的噪声，必要时可以添加滤波以降低有效带宽。

总结

噪声是模拟和混合信号电路设计中不愿意发生但是又不可避免的产物。噪声有各种来源，并且具有多种能量特征或格式。它可以通过多种机制进入信号链。噪声分析可以确定给定设计中的预期噪声水平，称为本底噪声，低于该水平的任何信号都将无法区分。设计人员可以使用一系列工具来控制噪声对系统性能的影响。