模拟电路中的噪声是怎么产生的，以及如何控制噪声水平

模拟和混合信号系统中有一系列噪声源。一些常见的噪声类型包括白噪声、粉红噪声、约翰逊噪声、量化噪声和爆米花噪声。

白噪声具有平坦的频谱并且在整个频域中均匀分布。降低带宽可从模拟信号中去除白噪声。将放大器的带宽降低 N 倍会以 N 的平方根降低 RMS 白噪声。

粉红噪声，也称为闪烁或 1/f 噪声，具有与频率成反比的频率依赖性。每个频率级别的粉红噪声能量以每倍频程约 1 到 3 dB 的速度下降。这与在所有频率水平上具有相同能量的白噪声形成对比。因此，粉红噪声在低频时最强，但在高频时，它会衰减，从而白噪声成为了主要的噪声源。在 PCB 级别设计消除粉红噪声具有一定的挑战。

约翰逊噪声，也称为热噪声，是电子运动的随机激发，它是温度的函数。约翰逊噪声是不可避免的，只有在绝对零度时才能完全消除。

量化噪声是模数转换器 (ADC) 中量化引入误差的结果。它是非线性的，并且与信号相关。这是由 ADC 的模拟输入电压与输出数字化值之间的误差引起的。

爆米花噪声或突发噪声，它是低频的，是器件缺陷所带来的，它是完全随机的，因此不可预测的。

各种噪声源是电子元件中固有的，并组合成输入和输出的噪声系数。噪声分析可以确定噪声水平，即为本底噪声，低于该噪声水平的任何信号都将无法区分。互连或组件的本底噪声由来自所有源的输入噪声、组件或电路元件的带宽以及互连或组件的噪声系数定义。噪声可以通过各种组件进入信号链，例如：

ADC，产生热噪声和量化噪声。

产生宽带和 1/f 噪声的放大器

电压基准，产生宽带和 1/f 噪声

抖动的时钟。

电源，尤其是开关模式转换器，会产生各种周期性和随机噪声类型。

将来自外部源的噪声耦合到系统中的印刷电路板 (PCB) 布局。

传感器，将各种外部噪声传递到敏感系统中（图 2）。

图 2：传感器节点中的噪声源示例。 （图片：德州仪器）

某些信号上出现的电流尖峰会在 PCB 中产生噪声。在模拟电路中，这些尖峰通常是由负载电流的变化引起的，而在数字电路中，电流尖峰是由晶体管开关引起的。不正确的接地或浮动接地也可能导致噪声。接地尤为重要。在最大信号频率为 1MHz 或低频PCB系统中，一个简单的单个接地点通常就足够了。如果涉及更高的频率，通常需要星形或多点接地架构。一些设计结合了低频模块的单点接地和高频模块的多点接地方案。

图 3：多点接地是减少噪声的有效工具。 （图片：Photoelectronics）

在最大限度地减少 PCB 噪声源和电平时，元件摆放位置也很重要。一些常见的建议包括：

将功率元件靠近在同一层上可减少通孔之间产生的电感。

高频元件以尽可能缩短走线长度。

将去耦电容器放置在尽可能靠近电源引脚的位置，以减少信号切换产生的电流尖峰并最大限度地减少接地反弹。用于去耦的多层陶瓷电容器 (MLCC) 的选型经验法则是在频率为 15 MHz 时使用 0.1 μF MLCC，更高频率时使用 0.01 μF MLCC。

需要时使用高阶滤波器电路来控制所需带宽之外的噪声。滤波可用于控制模拟噪声源和控制数字信号的上升/下降时间。

指定上升时间不能快于减少高频谐波的比较器等器件。

使用 ADC 进行采样时，噪声可以分布在更宽的带宽上，并且通过使用更高的采样率和抗混叠滤波器来降低总噪声。

可以通过指定不超过必要带宽的器件来降低放大器的噪声，必要时可以添加滤波以降低有效带宽。

总结

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