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模擬電路噪聲的來源和消除
Analog circuit noise sources and remedies

---設(shè)計一個低噪聲的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)計概念和技巧。例如,有人可能認為大多數(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,電路噪聲的另一個來源是傳導(dǎo)噪聲。在信號到達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中。電路噪聲的第三個來源是輻射噪聲。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）濾波器對電源線進行濾波。此外,對于所有有源器件,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�。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)計就很容易了。
---圖1是一個12位ADC電路的例子。如圖所示,信號來自一個電阻負載單元,器件號碼為LCL816-G。LCL816-G的差分輸出端口連接到一個分立式雙運放儀表放大器（A1、A2、R3、R4和RG）。然后,信號通過一個二階低通濾波器（A3、R5、R6、C1和C2）,該低通濾波器可消除頻率更高的混疊噪聲,從而消除進入ADC的有害誤差。最后,信號耦合到一個12位ADC（A4,Microchip公司的MCP3201）。轉(zhuǎn)換器可接受0～5V的信號,輸出發(fā)送至單片機（Microchip PIC16C623）。一個整流器/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的作用是進一步降低電源紋波和噪聲。
---如果電路設(shè)計時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（MCP3201）的輸出端以30 ksps的數(shù)據(jù)速率采集1024個樣本。圍繞著碼字2982,這些樣本的碼寬為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 = 300kΩ;
---R4 = 100kΩ;
---RG = 4020Ω;
---A1 = A2 =單電源CMOS運放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電路和電路板則可產(chǎn)生一個精確的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,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時的電壓噪聲密度為29nV/√Hz（典型值）,而MCP6024在10kHz時的電壓噪聲密度為8.7nV/√Hz（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。由于實現(xiàn)了接地面,金屬層中斷與信號路徑分別處于兩個平行的平面,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(tǒng)的水平,但實際上還可以達到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)計的。此外,可通過采用旁路電容進一步降低傳導(dǎo)噪聲。最后,通過采用扼流圈L1對電源進行過濾,將傳導(dǎo)噪聲的影響降到最小。這些改進使系統(tǒng)成為一個真正的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個樣本,所有樣本都等于一個碼：2941。
---只要遵循下列幾條關(guān)鍵的低噪聲設(shè)計準則,良好的12位ADC設(shè)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(shè)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行正確的濾波。
● 對所有器件進行適當(dāng)?shù)呐月吩O(shè)計;電容要盡量靠近器件的電源引腳。
● 對電源進行恰當(dāng)?shù)臑V波。

參考文獻
1 Bonnie C. Baker. Reading and Using Fast
Fourier Transforms (FFTs). AN681. Microchip
Technology Inc.
2 Bonnie C. Baker. Anti-Aliasing, Analog Filters
for Data Acquisition Systems. AN699. Microchip
Technology Inc.