電路設計噪聲系數測量

2020-10-12

對于某些設計人員而言，外部噪聲和固有噪聲可能是事后才想到的，但是兩個源都會使信號質量下降到系統故障的地步。在高速系統，高頻模擬系統或混合信號系統中工作會導致易受不同形式噪聲的影響。數字系統相對不受與輻射EMI /串擾無關的固有噪聲源的干擾，但是如果噪聲太強，則模擬和混合信號系統可能會失效。

作為設計師，您如何處理噪聲，如何量化系統中的噪聲？關鍵是通過噪聲系數測量，這需要直接從感興趣的組件中收集。應該使用一些基本技術來收集噪聲系數測量值，然后可以使用這些技術為系統進行一些智能過濾，放大和信號處理選擇。

一旦確定了噪聲過多的有害組件或信號源，就該對原理圖和/或布局進行更改了。使用正確的電路設計工具和PCB布局工具集，您可以輕松地使用新組件修改系統，以為信號產生更高的信噪比（SNR）值?？纯次覀兊脑肼曄禂禍y量指南，可以更好地了解它們與電路設計和PCB布局的關系。

盡管從概念上講噪聲很容易理解，但是正確測量噪聲需要了解一些有關噪聲的知識。這是因為不同類型的噪聲表現出不同的時間和頻譜行為。例如，隨機寬帶噪聲需要寬帶測量才能獲得噪聲功率密度的準確測量。相反，由于來自不同組件的串擾或EMI，電路中可能會接收到噪聲，這需要在狹窄的頻率范圍內進行測量。

通常，您可以在具有多個端口（輸入和輸出）的任何電子系統上進行噪聲系數測量。示例包括單個組件，多個組件的電路或在PCB上布置多個電路的整個系統。各個無源元件（例如電阻器和電容器）和有源器件可以用作DUT，以進行噪聲系數測量。只要該設備至少具有一個輸入和輸出，就可以用于噪聲系數測量。

下圖顯示了一般的噪聲測量圖。請注意，此圖顯示了2端口設備（1個輸入和1個輸出）的典型設置。此外，DUT通常放置在法拉第籠中，以將其與外部輻射EMI隔離。多個端口設備也可以使用此設置進行測試；在運行期間，耦合器階躍將連接到負載，開路（NC）或短路（接地），以根據需要模擬輸入上不同類型的端接。

噪聲系數測量的典型設置。

此測量的目的是檢查DUT如何產生自己的噪聲，該噪聲會疊加在分析儀產生的噪聲上。典型的噪聲系數測量需要先對分析儀進行校準，以解決分析儀產生的噪聲，然后再檢查DUT如何為測量增加額外的噪聲。另一種噪聲系數測量技術是在噪聲源和DUT之間使用網絡分析儀，這需要它自己的測量技術。

當來自噪聲源的噪聲通過DUT時，通過測量DUT輸入（沒有DUT時）的SNR值和DUT輸出（帶有DUT）時的SNR來計算噪聲系數。然后可以使用以下公式計算以dB為單位的噪聲系數（NF）：

噪聲系數公式。

NF值越接近0 dB，產生的噪聲越少。所有組件都會在不同的頻率上產生一些噪聲，這些噪聲會疊加在來自噪聲源的噪聲上。這里的關鍵是正確量化噪聲，以便可以從測量結果確定噪聲系數，并將其與系統規格進行比較。這需要考慮不同的噪聲源，并嘗試確定噪聲系數測量中何時存在噪聲源。

系統中的噪聲源

電子系統中的噪聲有兩種主要類型：隨機噪聲和確定性噪聲。由于構成電流的電子的量子性質，隨機噪聲源包含遵循隨機過程的所有事物。確定性噪聲源（例如，傳導和輻射EMI）更易于測量，并且如果它們傳播到輸出，則可以包含在噪聲系數測量中。

請注意，EMI不必來自設備的外部，但它可以作為串擾，傳導性EMI或封裝內的輻射EMI傳遞到DUT內部的輸出。噪聲系數測量和仿真的目標是檢查噪聲通過DUT時SNR值如何變化，以及噪聲如何疊加在輸出信號上。

隨機噪聲源

純電阻DUT的噪聲分布在整個頻域上均勻分布。但是，實際的DUT及其制造所用的組件并非純粹是電阻性的。因此，RMS噪聲電平可能是頻率的復雜函數。盡管可以通過使用系統中具有較低電阻的組件來降低熱噪聲電壓，但始終會存在熱噪聲并且無法消除。使用電抗組件是一個更復雜的問題，因為系統中產生的寬帶噪聲將是頻率的函數。

確定性噪聲源

DUT的輸出中也可能存在各種確定性噪聲源，這些噪聲源將在噪聲系數測量期間捕獲。這些確定性噪聲源通常是窄帶（在單個頻率上），或者它們分散在多個諧波中。通過在頻域中查看從DUT測得的輸出信號，可以從噪聲系數測量中識別出明顯的噪聲源。確定性噪聲包括來自不同電路模塊的EMI，它們以傳導噪聲的形式到達輸出。

然后可以使用電路仿真套件將這兩個噪聲源與所需的波形和噪聲系數測量值進行比較。原理圖編輯器中將內置用于電路仿真和分析的最佳工具，以便您可以快速識別可能的設計更改。

電路仿真和設計工具

一旦完成了噪聲系數測量并確定了在系統輸出中看到的潛在噪聲源，就可以修改電路原理圖，以便消除噪聲源了。噪聲永遠無法完全消除，但是可以通過多種方法降低噪聲。要確定哪種方法適合降低系統中的噪聲，需要考慮各種隨機噪聲源，并分別進行處理。

隨機噪聲的頻域與時域仿真

修改原理圖后，您可以執行一些仿真來檢查不同頻率的噪聲如何在DUT的輸出端出現。查看頻域中的輸出信號可為您提供檢查衰減和放大所需的數據。對于線性DUT，可以構造一個傳遞函數，該函數將告訴您不同的噪聲分量在通過線性DUT時如何衰減或放大。掃頻是用于檢查窄帶和寬帶噪聲將如何通過DUT傳播并出現在輸出中的主要工具。

由于隨機噪聲是在時域中生成的，因此您可以檢查傅立葉變換如何在頻域中創建噪聲。將噪聲波形的傅立葉頻譜乘以傳遞函數后，即可測量系統中的本底噪聲。該本底噪聲加上所需信號的傅立葉頻譜給出了一個新頻譜，該頻譜顯示了DUT的輸出，從中可以確定輸出SNR值。如果愿意，可以使用傅立葉逆變換將輸出的噪聲信號轉換回時域。

模擬確定性噪聲

雖然不能直接在SPICE封裝中模擬發射的輻射，但是可以模擬在不同電路模塊中接收到的信號如何在DUT的輸出端產生噪聲。在仿真過程中，您可以將理想信號與頻域中的噪聲信號進行比較，還可以提取SNR值。然后，您可以將其與噪聲系數測量值進行比較，以確定哪些類型的噪聲可能在輸出上產生過多的噪聲。在電路仿真中，可以使用類似的策略來檢查EMI和EMC。

簡單的設計更改（例如輸入或輸出處的EMI濾波器電路）可能有助于減少特定頻率下的過多確定性噪聲。使用具有不同阻抗值的組件可以減少系統中的熱噪聲。無法在SPICE軟件包中直接模擬系統中的其他物理過程，因此需要從測量中進行分析。示例包括1 / f噪聲，布朗噪聲和散粒噪聲。一旦確定了測量和模擬的噪聲源，就可以使用Cadence的設計工具根據需要修改系統。