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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)噪聲系數(shù)測量
對于某些設(shè)計(jì)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(gè)源都會使信號質(zhì)量下降到系統(tǒng)故障的地步。在高速系統(tǒng)，高頻模擬系統(tǒng)或混合信號系統(tǒng)中工作會導(dǎo)致易受不同形式噪聲的影響。數(shù)字系統(tǒng)相對不受與輻射EMI /串?dāng)_無關(guān)的固有噪聲源的干擾，但是如果噪聲太強(qiáng)，則模擬和混合信號系統(tǒng)可能會失效。
作為設(shè)計(jì)師，您如何處理噪聲，如何量化系統(tǒng)中的噪聲？關(guān)鍵是通過噪聲系數(shù)測量，這需要直接從感興趣的組件中收集。應(yīng)該使用一些基本技術(shù)來收集噪聲系數(shù)測量值，然后可以使用這些技術(shù)為系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行更改了。使用正確的電路設(shè)計(jì)工具和PCB布局工具集，您可以輕松地使用新組件修改系統(tǒng)，以為信號產(chǎn)生更高的信噪比（SNR）值。看看我們的噪聲系數(shù)測量指南，可以更好地了解它們與電路設(shè)計(jì)和PCB布局的關(guān)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(guān)噪聲的知識。這是因?yàn)椴煌愋偷脑肼暠憩F(xiàn)出不同的時(shí)間和頻譜行為。例如，隨機(jī)寬帶噪聲需要寬帶測量才能獲得噪聲功率密度的準(zhǔn)確測量。相反，由于來自不同組件的串?dāng)_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(nèi)進(jìn)行測量。
通常，您可以在具有多個(gè)端口（輸入和輸出）的任何電子系統(tǒng)上進(jìn)行噪聲系數(shù)測量。示例包括單個(gè)組件，多個(gè)組件的電路或在PCB上布置多個(gè)電路的整個(gè)系統(tǒng)。各個(gè)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(jìn)行噪聲系數(shù)測量。只要該設(shè)備至少具有一個(gè)輸入和輸出，就可以用于噪聲系數(shù)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(shè)備（1個(gè)輸入和1個(gè)輸出）的典型設(shè)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(gè)端口設(shè)備也可以使用此設(shè)置進(jìn)行測試；在運(yùn)行期間，耦合器階躍將連接到負(fù)載，開路（NC）或短路（接地），以根據(jù)需要模擬輸入上不同類型的端接。
噪聲系數(shù)測量的典型設(shè)置。
此測量的目的是檢查DUT如何產(chǎn)生自己的噪聲，該噪聲會疊加在分析儀產(chǎn)生的噪聲上。典型的噪聲系數(shù)測量需要先對分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，以解決分析儀產(chǎn)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(shù)測量技術(shù)是在噪聲源和DUT之間使用網(wǎng)絡(luò)分析儀，這需要它自己的測量技術(shù)。
當(dāng)來自噪聲源的噪聲通過DUT時(shí)，通過測量DUT輸入（沒有DUT時(shí)）的SNR值和DUT輸出（帶有DUT）時(shí)的SNR來計(jì)算噪聲系數(shù)。然后可以使用以下公式計(jì)算以dB為單位的噪聲系數(shù)（NF）：
噪聲系數(shù)公式。
NF值越接近0 dB，產(chǎn)生的噪聲越少。所有組件都會在不同的頻率上產(chǎn)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(guān)鍵是正確量化噪聲，以便可以從測量結(jié)果確定噪聲系數(shù)，并將其與系統(tǒng)規(guī)格進(jìn)行比較。這需要考慮不同的噪聲源，并嘗試確定噪聲系數(shù)測量中何時(shí)存在噪聲源。
系統(tǒng)中的噪聲源
電子系統(tǒng)中的噪聲有兩種主要類型：隨機(jī)噪聲和確定性噪聲。由于構(gòu)成電流的電子的量子性質(zhì)，隨機(jī)噪聲源包含遵循隨機(jī)過程的所有事物。確定性噪聲源（例如，傳導(dǎo)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(shù)測量中。
請注意，EMI不必來自設(shè)備的外部，但它可以作為串?dāng)_，傳導(dǎo)性EMI或封裝內(nèi)的輻射EMI傳遞到DUT內(nèi)部的輸出。噪聲系數(shù)測量和仿真的目標(biāo)是檢查噪聲通過DUT時(shí)SNR值如何變化，以及噪聲如何疊加在輸出信號上。
隨機(jī)噪聲源
純電阻DUT的噪聲分布在整個(gè)頻域上均勻分布。但是，實(shí)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(fù)雜函數(shù)。盡管可以通過使用系統(tǒng)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(gè)更復(fù)雜的問題，因?yàn)橄到y(tǒng)中產(chǎn)生的寬帶噪聲將是頻率的函數(shù)。
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(shù)測量期間捕獲。這些確定性噪聲源通常是窄帶（在單個(gè)頻率上），或者它們分散在多個(gè)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(shù)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(dǎo)噪聲的形式到達(dá)輸出。
然后可以使用電路仿真套件將這兩個(gè)噪聲源與所需的波形和噪聲系數(shù)測量值進(jìn)行比較。原理圖編輯器中將內(nèi)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(shè)計(jì)更改。
電路仿真和設(shè)計(jì)工具
一旦完成了噪聲系數(shù)測量并確定了在系統(tǒng)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(yuǎn)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(tǒng)中的噪聲，需要考慮各種隨機(jī)噪聲源，并分別進(jìn)行處理。
隨機(jī)噪聲的頻域與時(shí)域仿真
修改原理圖后，您可以執(zhí)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(xiàn)。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(shù)據(jù)。對于線性DUT，可以構(gòu)造一個(gè)傳遞函數(shù)，該函數(shù)將告訴您不同的噪聲分量在通過線性DUT時(shí)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(xiàn)在輸出中的主要工具。
由于隨機(jī)噪聲是在時(shí)域中生成的，因此您可以檢查傅立葉變換如何在頻域中創(chuàng)建噪聲。將噪聲波形的傅立葉頻譜乘以傳遞函數(shù)后，即可測量系統(tǒng)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(gè)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(zhuǎn)換回時(shí)域。
模擬確定性噪聲
雖然不能直接在SPICE封裝中模擬發(fā)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(chǎn)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(jìn)行比較，還可以提取SNR值。然后，您可以將其與噪聲系數(shù)測量值進(jìn)行比較，以確定哪些類型的噪聲可能在輸出上產(chǎn)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(shè)計(jì)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(tǒng)中的熱噪聲。無法在SPICE軟件包中直接模擬系統(tǒng)中的其他物理過程，因此需要從測量中進(jìn)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(shè)計(jì)工具根據(jù)需要修改系統(tǒng)。