模擬電路噪聲的來(lái)源和消除

---設計一個(gè)低噪聲的12位或10位模數轉換器（ADC）電路板看起來(lái)比較容易,但前提是了解并遵循一些基本的低噪聲設計概念和技巧。例如,有人可能認為大多數器件（如放大器和電阻）都可有效地用于12位或10位ADC,所以通常都是根據與噪聲無(wú)關(guān)的參數來(lái)選擇這些器件。除了器件噪聲,電路噪聲的另一個(gè)來(lái)源是傳導噪聲。在信號到達ADC的輸入端之前,傳導噪聲就已經(jīng)存在于電路板的走線(xiàn)中了。傳導噪聲的來(lái)源是器件噪聲或發(fā)射噪聲。一些情況下,電路本身的要求決定了器件噪聲和發(fā)射噪聲是不可避免的。傳導噪聲可能來(lái)自模擬信號路徑上的器件和電源器件,電路中最常用的電源器件是開(kāi)關(guān)模式電源,甚至是僅采用簡(jiǎn)單穩壓的“墻上適配器”,此類(lèi)器件都會(huì )產(chǎn)生電源噪聲并注入敏感的模擬器件中。電路噪聲的第三個(gè)來(lái)源是輻射噪聲。一般來(lái)說(shuō),輻射噪聲可能是由于兩條平行且靠近的走線(xiàn)間形成耦合而出現的,也可能來(lái)自外部電磁干擾（EMI）信號。
---如果考慮器件的噪聲,器件的選擇就成為電路設計成敗的主要影響因素。此類(lèi)問(wèn)題常見(jiàn)于A(yíng)/D轉換電路中放大器/電阻增益級部分。為解決此類(lèi)問(wèn)題,可以將放大器更換為低噪聲器件并采用阻值更低的電阻來(lái)降低系統噪聲。傳導噪聲問(wèn)題則可通過(guò)其他方法解決。如果噪聲是來(lái)自ADC信號路徑,在A(yíng)DC之前增加一個(gè)低通濾波器就可有效地降低混疊噪聲。正如上文提到的,傳導噪聲的另一個(gè)來(lái)源是電源。對于這一問(wèn)題,可利用扼流圈或阻容（R/C）濾波器對電源線(xiàn)進(jìn)行濾波。此外,對于所有有源器件,都應當在其電源引腳和地之間增加一個(gè)旁路電容。不過(guò),通過(guò)接地面,可以消除大部分傳導噪聲。最后,針對由于走線(xiàn)之間的耦合而帶來(lái)輻射噪聲,可以將兩條走線(xiàn)隔開(kāi),通過(guò)適當的電路板布局屏蔽或避免外部噪聲。如果解決了上述器件噪聲、傳導噪聲和發(fā)射噪聲等問(wèn)題,低噪聲12位ADC電路板的設計就很容易了。
---圖1是一個(gè)12位ADC電路的例子。如圖所示,信號來(lái)自一個(gè)電阻負載單元,器件號碼為L(cháng)CL816-G。LCL816-G的差分輸出端口連接到一個(gè)分立式雙運放儀表放大器（A1、A2、R3、R4和RG）。然后,信號通過(guò)一個(gè)二階低通濾波器（A3、R5、R6、C1和C2）,該低通濾波器可消除頻率更高的混疊噪聲,從而消除進(jìn)入ADC的有害誤差。最后,信號耦合到一個(gè)12位ADC（A4,Microchip公司的MCP3201）。轉換器可接受0～5V的信號,輸出發(fā)送至單片機（Microchip PIC16C623）。一個(gè)整流器/AC至DC轉換器（墻上適配器）將來(lái)自交流插座的交流輸入轉換為所需要的9V直流電源,再利用LM7805將電源穩壓到5V。扼流圈L1的作用是進(jìn)一步降低電源紋波和噪聲。
---如果電路設計時(shí)沒(méi)有采取上述低噪聲措施,那么很容易產(chǎn)生類(lèi)似圖2的輸出。在圖2中,ADC（MCP3201）的輸出端以30 ksps的數據速率采集1024個(gè)樣本。圍繞著(zhù)碼字2982,這些樣本的碼寬為44。根據這一數據,系統的精度約為5.45位。顯然,這一電路的精度對于12位系統是不夠的。
---電路板的參數具體配置為：
---R3 = 300kΩ;
---R4 = 100kΩ;
---RG = 4020Ω;
---A1 = A2 =單電源CMOS運放MCP604（Microchip）;
---無(wú)低通抗混疊濾波器;
---無(wú)旁路電容;
---沒(méi)有使用接地面;
---L1短路（扼流圈）。
---采取低噪聲措施的改進(jìn)電路和電路板則可產(chǎn)生一個(gè)精確的12位解決方案。首先,通過(guò)采用噪聲更低的放大器和電阻來(lái)解決器件噪聲問(wèn)題。例如,當電阻值減小10倍時(shí),增益保持不變,但噪聲降低了約3倍。此外,放大器也要從MCP604更換為MCP6024。MCP604在1kHz時(shí)的電壓噪聲密度為29nV/√Hz（典型值）,而MCP6024在10kHz時(shí)的電壓噪聲密度為8.7nV/√Hz（典型值）,改善了3倍多。通過(guò)在印刷電路板（PCB）的背面設置接地面可以解決傳導噪聲問(wèn)題。由于實(shí)現了接地面,金屬層中斷與信號路徑分別處于兩個(gè)平行的平面,而不是同一平面。 經(jīng)過(guò)這些修改后,電路板的性能有顯著(zhù)改善。測試顯示,ADC輸出碼的分布直方圖的碼寬度從44減小至9個(gè)碼字。
---這一巨大改變使得圖1中的電路性能達到約9位系統的水平,但實(shí)際上還可以達到12位系統的性能。為解決傳導噪聲問(wèn)題,可在A(yíng)DC之前增加了一個(gè)二階低通濾波器,以減少A/D轉換過(guò)程中的混疊信號。濾波器是采用FilterLab模擬濾波軟件工具設計的。此外,可通過(guò)采用旁路電容進(jìn)一步降低傳導噪聲。最后,通過(guò)采用扼流圈L1對電源進(jìn)行過(guò)濾,將傳導噪聲的影響降到最小。這些改進(jìn)使系統成為一個(gè)真正的12位精確系統。如圖3所示,模數轉換器的輸出端以30 ksps數據速率采集1024個(gè)樣本,所有樣本都等于一個(gè)碼：2941。
---只要遵循下列幾條關(guān)鍵的低噪聲設計準則,良好的12位ADC設計技巧并不難掌握。
● 檢查電路中使用的器件并保證它們均是低噪聲器件。
● 永遠在電路板的一層布設不間斷的接地面。
● 對于混合信號電路中的信號,利用低通抗混疊濾波器進(jìn)行正確的濾波。
● 對所有器件進(jìn)行適當的旁路設計;電容要盡量靠近器件的電源引腳。
● 對電源進(jìn)行恰當的濾波。