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技術(shù)專題
PCB設(shè)計(jì)減少本底噪聲
在PCB設(shè)計(jì)時(shí)無法避免噪聲。明智的PCB設(shè)計(jì)選擇可以幫助你的系統(tǒng)減少本底噪聲。在采集敏感測(cè)量值的系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)中，肯定希望本底噪聲減少到底。
電子元件中還有其他不可避免的固有噪聲源，它們會(huì)與熱噪聲一起出現(xiàn)。這會(huì)創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的噪聲環(huán)境，可能難以分析，尤其是當(dāng)電子系統(tǒng)中存在其他噪聲源時(shí)。這是本底噪聲如何確定希望在電子系統(tǒng)中看到的
較低噪聲水平以及在實(shí)際PCB中可以測(cè)量的很低噪聲水平。
是什么決定了本底噪聲？
PCB設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)的溫度決定了本底噪聲。當(dāng)系統(tǒng)溫度較高時(shí)，本底噪聲將較高。當(dāng)我們說本底噪聲時(shí)，我們指的是與一般本底噪聲相同的想法。在沒有任何寬帶噪聲源，1 / f噪聲或布朗噪聲的情況下，你希望在電子系統(tǒng)中測(cè)量的最小噪聲水平是熱噪聲基底。
通常，由于存在多種本征噪聲源，因此分析噪聲可能很困難，并且這些本征噪聲源是不同系統(tǒng)所獨(dú)有的。也許最重要的方面是描述低頻下1 / f噪聲和布朗噪聲的行為。描述1 / f噪聲和布朗噪聲的一般統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的隨機(jī)模型的開發(fā)已成為近一個(gè)世紀(jì)以來的活躍研究領(lǐng)域。這些模型已用于描述電子，光學(xué)，金融，經(jīng)濟(jì)學(xué)，生物學(xué)和其他領(lǐng)域的噪聲行為。
在電子系統(tǒng)中，當(dāng)測(cè)量參考電阻兩端的電壓時(shí)，本底噪聲將以足夠高的頻率顯示。在低頻下，1 / f噪聲和布朗噪聲將占主導(dǎo)地位，并且這些噪聲源對(duì)于正在研究的特定系統(tǒng)而言是唯一的。在足夠高的電流下避免散粒噪聲時(shí)，可以測(cè)量的3種主要本征噪聲源是熱噪聲，1 / f噪聲和布朗噪聲。 這些源的時(shí)間波形和功率譜密度如下所示。
電子電路中的噪聲類型及其功率譜密度
何時(shí)本底噪聲占主導(dǎo)地位？
隨著1 / f噪聲和布朗噪聲隨著頻率增加而下降，最終本底噪聲將收斂到熱本底噪聲。任何比本底噪聲強(qiáng)度更大的噪聲源都將位于本底噪聲上方，并且可以在頻譜分析儀的測(cè)量中輕松看到。
如果看一下熱噪聲帶寬的公式，你會(huì)發(fā)現(xiàn)熱噪聲波動(dòng)與溫度的平方根成正比。電壓波動(dòng)與所檢查系統(tǒng)的戴維寧電阻成正比，但是熱噪聲功率譜密度是一個(gè)與溫度成正比的常數(shù)（以開爾文為單位）。換句話說，將系統(tǒng)溫度提高20％將這些波動(dòng)提高20％。
如果查看組件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，則熱噪聲值通常約為nV /√Hz。你測(cè)量的本底噪聲將取決于儀器的帶寬。本底噪聲僅在大于某個(gè)轉(zhuǎn)折頻率的頻率中占主導(dǎo)地位。這是1 / f噪聲近似等于本底噪聲的頻率。由于1 / f噪聲在很大程度上取決于特定電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，因此沒有通用的，封閉形式的解決方案可用于計(jì)算此轉(zhuǎn)折頻率。
一個(gè)簡單的示例，顯示了從1 / f噪聲到熱噪聲（又稱白噪聲）的過渡
PCB設(shè)計(jì)時(shí)可以降低本底噪聲嗎？
簡單的答案是肯定的，但不是很多。在沒有其他所有噪聲源的情況下，最小的本底噪聲將始終是熱本底噪聲，只能通過降低組件的溫度來降低本底噪聲。如果查看組件數(shù)據(jù)表，通常會(huì)在超出建議工作溫度的較寬溫度范圍內(nèi)指定系統(tǒng)的本底噪聲。
本底噪聲及其帶寬在RF前端接收器電路，精密光學(xué)傳感器和其他以非常低的電壓（小于mV）輸出的傳感器中非常重要。但是，在大多數(shù)以mV電平運(yùn)行的系統(tǒng)中，你可能不會(huì)注意到熱噪聲。對(duì)于具有100 nV RMS熱噪聲的1 mV信號(hào)，SNR值為40 dB，對(duì)于許多應(yīng)用來說已經(jīng)足夠。
如果要檢查信號(hào)鏈中放大和濾波階段的影響，則需要使用一些基本的仿真工具。噪聲將非常低，以至于任何組件都將在線性范圍內(nèi)工作，從而使得在穿越信號(hào)鏈時(shí)模擬寬帶噪聲的行為變得非常容易。為了確定信號(hào)鏈中應(yīng)使用的增益，應(yīng)始終在帶有放大器的電子系統(tǒng)中模擬噪聲。
當(dāng)需要模擬系統(tǒng)的熱行為并檢查熱本底噪聲如何影響PCB中的信號(hào)行為時(shí)，你需要使用正確的PCB設(shè)計(jì)和分析軟件。
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