控制模拟和混合信号電路中的噪聲很重要，也很不簡單。信号完整性取決于控制信号鍊中的噪聲。如果不加控制，噪音會對系統造成幹擾甚至影響運行。本文将首先介紹各種噪聲源和類型，查看噪聲如何通過各種組件進入信号鍊，然後再介紹如何利用PCB的布局技巧以幫助控制噪聲，最後回顧一些控制噪聲的技術。

噪聲可能由各種來源引起，并表現在一系列頻率、帶寬和頻譜分布中（圖 1）。噪聲以共模或差模能量的形式出現。它可以起源于系統内部，也可以來自外部來源。無論其具體特征或來源如何，噪聲都是一種不受歡迎的能量形式。

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

噪聲的來源和類型

模拟和混合信号系統中有一系列噪聲源。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頻域中均勻分布。降低帶寬可從模拟信号中去除白噪聲。将放大器的帶寬降低 N 倍會以 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。每個頻率級别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比。因此，粉紅噪聲在低頻時最強，但在高頻時，它會衰減，從而白噪聲成為了主要的噪聲源。在 PCB 級别設計消除粉紅噪聲具有一定的挑戰。

約翰遜噪聲，也稱為熱噪聲，是電子運動的随機激發，它是溫度的函數。約翰遜噪聲是不可避免的，隻有在絕對零度時才能完全消除。

量化噪聲是模數轉換器 (ADC) 中量化引入誤差的結果。它是非線性的，并且與信号相關。這是由 ADC 的模拟輸入電壓與輸出數字化值之間的誤差引起的。

爆米花噪聲或突發噪聲，它是低頻的，是器件缺陷所帶來的，它是完全随機的，因此不可預測的。

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。噪聲分析可以确定噪聲水平，即為本底噪聲，低于該噪聲水平的任何信号都将無法區分。互連或組件的本底噪聲由來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定義。噪聲可以通過各種組件進入信号鍊，例如：

ADC，産生熱噪聲和量化噪聲。

産生寬帶和 1/f 噪聲的放大器

電壓基準，産生寬帶和 1/f 噪聲

抖動的時鐘。

電源，尤其是開關模式轉換器，會産生各種周期性和随機噪聲類型。

将來自外部源的噪聲耦合到系統中的印刷電路闆 (PCB) 布局。

傳感器，将各種外部噪聲傳遞到敏感系統中（圖 2）。

圖 2：傳感器節點中的噪聲源示例。 （圖片：德州儀器）

某些信号上出現的電流尖峰會在 PCB 中産生噪聲。在模拟電路中，這些尖峰通常是由負載電流的變化引起的，而在數字電路中，電流尖峰是由晶體管開關引起的。不正确的接地或浮動接地也可能導緻噪聲。接地尤為重要。在最大信号頻率為 1MHz 或低頻PCB系統中，一個簡單的單個接地點通常就足夠了。如果涉及更高的頻率，通常需要星形或多點接地架構。一些設計結合了低頻模塊的單點接地和高頻模塊的多點接地方案。

圖 3：多點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，元件擺放位置也很重要。一些常見的建議包括：

将功率元件靠近在同一層上可減少通孔之間産生的電感。

高頻元件以盡可能縮短走線長度。

将去耦電容器放置在盡可能靠近電源引腳的位置，以減少信号切換産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) 的選型經驗法則是在頻率為 15 MHz 時使用 0.1 µF MLCC，更高頻率時使用 0.01 µF MLCC。

鑒于噪聲類型和來源衆多，在模拟和混合信号設計中主動降低和控制噪聲非常重要。常見的建議包括：

需要時使用高階濾波器電路來控制所需帶寬之外的噪聲。濾波可用于控制模拟噪聲源和控制數字信号的上升/下降時間。

指定上升時間不能快于減少高頻諧波的比較器等器件。

使用 ADC 進行采樣時，噪聲可以分布在更寬的帶寬上，并且通過使用更高的采樣率和抗混疊濾波器來降低總噪聲。

可以通過指定不超過必要帶寬的器件來降低放大器的噪聲，必要時可以添加濾波以降低有效帶寬。

總結

噪聲是模拟和混合信号電路設計中不願意發生但是又不可避免的産物。噪聲有各種來源，并且具有多種能量特征或格式。它可以通過多種機制進入信号鍊。噪聲分析可以确定給定設計中的預期噪聲水平，稱為本底噪聲，低于該水平的任何信号都将無法區分。設計人員可以使用一系列工具來控制噪聲對系統性能的影響。

模拟電路中的噪聲是怎麼産生的，以及如何控制噪聲水平-電子工程世界

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