模拟电路噪声的来源和消除-如何设计12位AD电路

模拟电路噪声的来源和消除

---模拟电路噪声的消除更多地依赖于经验而非科学依据。设计人员经常遇到的情况是电路的模拟硬件部分设计出来以后,却发现电路中的噪声太大,而不得不重新进行设计和布线。这种“试试看”的设计方法在几经周折之后最终也能获得成功。不过,避免噪声问题的更好方法是在设计初期进行决策时就遵循一些基本的设计准则,并运用与噪声相关的基本原理等知识。本文将探讨 12位A/D转换系统中的不同噪声源（包括器件噪声、发射噪声和传导噪声）及其消除方法。

---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。

---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）,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0～5V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2982,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 = 300kΩ;

---R4 = 100kΩ;

---RG = 4020Ω;

---A1 = A2 =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MCP604更换为MCP6024。MCP604在1kHz时的电压噪声密度为29nV/√Hz（典型值）,而MCP6024在10kHz时的电压噪声密度为8.7nV/√Hz （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。

参考文献

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.