模擬電路的噪聲來源和消除

1、模擬電路噪聲的來源和消除 發(fā)布:2011-05-17 | 作者：| 來源：wanggaosheng|查看:371次|用戶關(guān)注:-設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲的12位或10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC電路板看起來比較容易 但前提是了解并遵循一些基本的低噪聲設(shè)計(jì)概念和技巧。例如，有人可能認(rèn)為大 多數(shù)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(jù)與噪聲無關(guān)的參數(shù)來選擇這些器件。除了器件噪聲，電路噪聲的另一個(gè)來源 是傳導(dǎo)噪聲。在信號到達(dá)ADC的輸入端之前，傳導(dǎo)噪聲就已經(jīng)存在于電路板的走 線中了。傳導(dǎo)噪聲的來源是器件噪聲或發(fā)射噪聲。一些情況下，電路本-設(shè)計(jì)一個(gè)低噪聲的12位或10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC

2、電路板看起來比較容易, 但前提是了解并遵循一些基本的低噪聲設(shè)計(jì)概念和技巧。例如，有人可能認(rèn)為大 多數(shù)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(jù)與噪聲無關(guān)的參數(shù)來選擇這些器件。除了器件噪聲，電路噪聲的另一個(gè)來源 是傳導(dǎo)噪聲。在信號到達(dá)ADC勺輸入端之前，傳導(dǎo)噪聲就已經(jīng)存在于電路板的走 線中了。傳導(dǎo)噪聲的來源是器件噪聲或發(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(dǎo)噪聲可能來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關(guān)模式電源，甚至是僅采用簡單 穩(wěn)壓的“墻上適配器”，此類器件都會產(chǎn)生電源噪聲并注入敏感的模擬器件

3、中。 電路噪聲的第三個(gè)來源是輻射噪聲。一般來說，輻射噪聲可能是由于兩條平行且 靠近的走線間形成耦合而出現(xiàn)的，也可能來自外部電磁干擾（EMI）信號。-如果考慮器件的噪聲，器件的選擇就成為電路設(shè)計(jì)成敗的主要影響因素。 此類 問題常見于A/D轉(zhuǎn)換電路中放大器/電阻增益級部分。為解決此類問題，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降低系統(tǒng)噪聲。傳導(dǎo)噪聲問題則可通過其他方法解決。如果噪聲是來自 ADC信號路徑,在ADC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(dǎo)噪聲的另一個(gè)來源是電 源。對于這一問題，可利用扼流圈或阻容（R/C）濾波器對電源線進(jìn)行濾波。此外, 對于

4、所有有源器件，都應(yīng)當(dāng)在其電源引腳和地之間增加一個(gè)旁路電容。不過，通過 接地面,可以消除大部分傳導(dǎo)噪聲。最后,針對由于走線之間的耦合而帶來輻射噪 聲,可以將兩條走線隔開，通過適當(dāng)?shù)碾娐钒宀季制帘位虮苊馔獠吭肼暋?如果解決 了上述器件噪聲、傳導(dǎo)噪聲和發(fā)射噪聲等問題，低噪聲12位ADC電路板的設(shè)計(jì)就 很容易了。hn*-tbjfI-圖 1是一個(gè)12位ADC電路的例子。如圖所示，信號來自一個(gè)電阻負(fù)載單元,器件號碼為LCL816-G LCL816-G的差分輸 出端口連接到一個(gè)分立式雙運(yùn)放儀表放大器（A1、A2、R3 R4和RG。然后， 信號通過一個(gè)二階低通濾波器（A3 R5 R6 C1和C2）,該低通濾波

5、器可消除頻率更高的混疊噪聲,從而消除進(jìn)入ADC勺有害誤差。最后，信號耦合到一個(gè)12位 AD（A4,Microchip公司的MCP320）。轉(zhuǎn)換器可接受05V的信號,輸出發(fā)送至 單片機(jī)（Microchip PIC16C623 ）。一個(gè)整流器/AC至DC轉(zhuǎn)換器（墻上適配器） 將來自交流插座的交流輸入轉(zhuǎn)換為所需要的9V直流電源,再利用LM7805將電源穩(wěn)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(shè)計(jì)時(shí)沒有采取上述低噪聲措施，那么很容易產(chǎn)生類似圖2的輸出。 在圖2中,ADC（ MCP320）的輸出端以30 ksps的數(shù)據(jù)速率采集1024個(gè)樣本。圍 繞著碼字2982,這些樣本的碼寬

6、為44。根據(jù)這一數(shù)據(jù),系統(tǒng)的精度約為5.45位。 顯然,這一電路的精度對于12位系統(tǒng)是不夠的。-電路板的參數(shù)具體配置為： -R3 = 300k Q ;-R4 = 100k Q ; -RG = 4020 Q ;-A1 = A2 =單電源CMO運(yùn)放MCP604（Microchip ）;-無低通抗混疊濾波器；-無旁路電容；-沒有使用接地面；-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,通過采用噪聲更低的放大器和電阻來解決器件噪聲問題。例如，當(dāng)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MCP60更換 為MCP6024MCP

7、60在1kHz時(shí)的電壓噪聲密度為 29nV/VH（典型值）,而MCP6024 在10kHz時(shí)的電壓噪聲密度為8.7nV/ VHz （典型值）,改善了 3倍多。通過在印 刷電路板（PCB的背面設(shè)置接地面可以解決傳導(dǎo)噪聲問題。由于實(shí)現(xiàn)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)過這些修 改后，電路板的性能有顯著改善。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(dá)到 約9位系統(tǒng)的水平，但實(shí)際上還可以達(dá)到12位系統(tǒng)的性能。為解決傳導(dǎo)噪聲問題 可在ADC之前增加了一個(gè)二階低通濾波器,以減少A/D轉(zhuǎn)換過程中的混疊信號。 濾波器是采用FilterLab 模擬濾波軟件工具設(shè)計(jì)的。此外,可通過采用旁路電容 進(jìn)一步降低傳導(dǎo)噪聲。最后，通過采用扼流圈L1對電源進(jìn)行過濾，將傳導(dǎo)噪聲的 影響降到最小。這些改進(jìn)使系統(tǒng)成為一個(gè)真正的 12 位精確系統(tǒng)。如圖 3 所示, 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端以 30 ksps 數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)準(zhǔn)則,良好的12位ADCS計(jì)技巧并不難 掌握。 檢