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1、模拟电路噪声的来源和消除发布:2011-05-17 | 作者: | 来源: wanggaosheng | 查看:371 次 | 用户关注 -设计一个低噪声的12位或10位模数转换器（ADC）电路板看起来比较容易, 但前提是了解并遵循一些基本的低噪声设计概念和技巧。例如,有人可能认为大 多数器件（如放大器和电阻）都可有效地用于12位或10位ADC,所以通常都是 根据与噪声无关的参数来选择这些器件。除了器件噪声,电路噪声的另一个来源 是传导噪声。在信号到达ADC的输入端之前，传导噪声就已经存在于电路板的走 线中了。传导噪声的来源是器件噪声或发射噪声。一些情况下,电路本 -设计一个低噪声的12位或1
2、0位模数转换器（ADC）电路板看起来比较容易， 但前提是了解并遵循一些基本的低噪声设计概念和技巧。例如,有人可能认为大 多数器件（如放大器和电阻）都可有效地用于12位或10位ADC,所以通常都是 根据与噪声无关的参数来选择这些器件。除了器件噪声,电路噪声的另一个来源 是传导噪声。在信号到达ADC的输入端之前，传导噪声就已经存在于电路板的走 线中了。传导噪声的来源是器件噪声或发射噪声。一些情况下,电路本身的要求 决定了器件噪声和发射噪声是不可避免的。传导噪声可能来自模拟信号路径上的 器件和电源器件,电路中最常用的电源器件是开关模式电源,甚至是仅采用简单 稳压的“墙上适配器”,此类器件都会产生电源
3、噪声并注入敏感的模拟器件中。 电路噪声的第三个来源是辐射噪声。一般来说,辐射噪声可能是由于两条平行且 靠近的走线间形成耦合而出现的，也可能来自外部电磁干扰（EMI）信号。-如果考虑器件的噪声,器件的选择就成为电路设计成败的主要影响因素。此类 问题常见于A/D转换电路中放大器/电阻增益级部分。为解决此类问题，可以将放 大器更换为低噪声器件并采用阻值更低的电阻来降低系统噪声。传导噪声问题则 可通过其他方法解决。如果噪声是来自ADC信号路径，在ADC之前增加一个低通 滤波器就可有效地降低混叠噪声。正如上文提到的，传导噪声的另一个来源是电 源。对于这一问题，可利用扼流圈或阻容（R/C）滤波器对电源线进
4、行滤波。此外, 对于所有有源器件，都应当在其电源引脚和地之间增加一个旁路电容。不过，通过 接地面，可以消除大部分传导噪声。最后，针对由于走线之间的耦合而带来辐射噪 声，可以将两条走线隔开，通过适当的电路板布局屏蔽或避免外部噪声。如果解决 了上述器件噪声、传导噪声和发射噪声等问题,低噪声12位ADC电路板的设计就 很容易了。fFrilH-图1是一个12位ADC电路的例子。如图所示，信号来自一个电阻负载单元，器件号码为LCL816-G。LCL816-G的差分输 出端口连接到一个分立式双运放仪表放大器（A1、A2、R3、R4和RG）。然后， 信号通过一个二阶低通滤波器（A3、R5、R6、C1和C2）
5、，该低通滤波器可消除频率更高的混叠噪声,从而消除进入ADC的有害误差。最后，信号耦合到一个12位 ADC （A4,Microchip公司的MCP3201）。转换器可接受05V的信号，输出发送至 单片机（Microchip PIC16C623）。一个整流器/AC至DC转换器（墙上适配器） 将来自交流插座的交流输入转换为所需要的9V直流电源,再利用LM7805将电源 稳压到5V。扼流圈L1的作用是进一步降低电源纹波和噪声。-如果电路设计时没有采取上述低噪声措施,那么很容易产生类似图2的输出。 在图2中,ADC （MCP3201）的输出端以30 ksps的数据速率采集1024个样本。围 绕着码字 2
6、982, 这些样本的码宽为 44。根据这一数据, 系统的精度约为 5.45 位。 显然,这一电路的精度对于12位系统是不够的。-电路板的参数具体配置为：R3 = 300kQ ;R4 = 100kQ ;-RG = 4020Q ;-A1 = A2 二单电源 CMOS 运放 MCP604（Microchip） ;-无低通抗混叠滤波器;-无旁路电容;-没有使用接地面;-L1 短路（扼流圈）。-采取低噪声措施的改进电路和电路板则可产生一个精确的12位解决方案。首 先,通过采用噪声更低的放大器和电阻来解决器件噪声问题。例如,当电阻值减小 10倍时,增益保持不变，但噪声降低了约3倍。此外，放大器也要从MCP
7、604更换 为MCP6024MCP604在1kHz时的电压噪声密度为29nV/VHz（典型值），而MCP6024 在10kHz时的电压噪声密度为8.7nV/VHz（典型值），改善了 3倍多。通过在印 刷电路板（PCB）的背面设置接地面可以解决传导噪声问题。由于实现了接地面, 金属层中断与信号路径分别处于两个平行的平面,而不是同一平面。 经过这些修 改后，电路板的性能有显著改善。测试显示,ADC输出码的分布直方图的码宽度从 44 减小至 9 个码字。-这一巨大改变使得图 1 中的电路性能达到 约9位系统的水平,但实际上还可以达到12位系统的性能。为解决传导噪声问题, 可在ADC之前增加了一个二阶
8、低通滤波器，以减少A/D转换过程中的混叠信号。 滤波器是采用FilterLab模拟滤波软件工具设计的。此外，可通过采用旁路电容 进一步降低传导噪声。最后，通过采用扼流圈L1对电源进行过滤,将传导噪声的 影响降到最小。这些改进使系统成为一个真正的 12位精确系统。如图 3 所示, 模数转换器的输出端以30 ksps数据速率采集1024个样本，所有样本都等于一个 码：2941。-只要遵循下列几条关键的低噪声设计准则，良好的12位ADC设计技巧并不难 掌握。 检查电路中使用的器件并保证它们均是低噪声器件。 永远在电路板的一层布设不间断的接地面。 对于混合信号电路中的信号，利用低通抗混叠滤波器进行正确的滤波。 对所有器件进行适当的旁路设计;电容要尽量靠近器件的电源引脚。 对电源进行恰当的滤波。
