噪声的产生机理和来源

news2024/11/18 8:14:12

引言:噪声广泛存在于自然界,上节揭示了噪声的本质,噪声按照噪声携带能量的强弱分为功率型噪声和信号型噪声,功率型噪声持续时间短,能量强,对设备的寿命具有很大的影响,而信号型噪声顾名思义来源于信号且作用于信号,本节简述噪声的产生机理和来源。

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图2-1:噪声的分类

€1.功率型噪声的产生

静电

静电是不同物理性质的物体表面积聚的电荷发生短时间转移的现象,静电的特征是持续时间端,脉冲高,不加防护策略的话容易损坏后继器件,并且对数字信号也会造成瞬间的干扰。

浪涌

浪涌出现在电源网络中,浪涌波持续时间相对于静电长,但峰值较低,整体能量高于静电,电源线中的浪涌如果不加消解,会直接损坏受电器件。

波动

波动也是出现在电源网络中,波动一部分是源端不稳,一部分是负载端变化过大,波动的危害小于浪涌,在一定范围内不会有影响,波动超过一定阈值,就有风险,缩短用电器件的寿命。

开关噪声

DC-DC是开关型器件,所以DC-DC供电中杂带的噪声也归结为开关噪声,来源在于开关节点的高频率切换产生高频信号,该信号一部分辐射出去,一部分跟随电源线传输进后级。

€2.信号型噪声的产生

高速数字IC

CMOS电路简化模型主要应用于数字IC,如图2-2所示。驱动器侧的CMOS晶体管的工作用开关简化表示,接收器侧的CMOS晶体管栅电容用接地电容器表示。数字IC通过控制驱动器侧的与信号线相连接的开关,将其切换至电源侧VDD或接地侧GND,可将信号输出电平设置为1或者0。

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图2-2:数字IC简化模型

正常情况下,如果CMOS数字电路电源信号电平不改变,几乎没有电流流过。然而,如果栅电容充电电流(信号电平从0切换至1时)和放电电流(当信号电平从1切换至0时)通过信号线,如图2-2所示,电流就会流过电源处和接地处。当信号切换时,除了此电流,还有所谓的直通电流会从驱动器电源处流向接地处,直通电流也成为脉动电流流经电源处和接地处。

由于这类电流跳动非常剧烈,包括很多频率元件,因此当能量向外辐射时,就会造成噪声故障。此外,由于电流急剧变化造成电源电压变化(电源和接地模式电感),会造成共用同一电源的外围电路运行不稳定(地弹)。

振铃

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图2-3:振铃影响频谱的构成

振铃会产生更多高频率的噪声,如图2-3所示,在频谱上体现为频率范围拓宽,幅度增强。

反射

如果信号沿互连线传播时,所受到的瞬态阻抗(线末端或者是互连线拓扑结构发生改变的地方,例如拐角,过孔,T型结构,接插件等处)发生变化,则一部分信号将被反射回源端,另一部分发生失真并继续传播,这正是单一网络中多数信号完整性问题产生的主要原因,所以反射这一概念已经是信号完整性的范畴,但反射也会增加噪声。

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图2-4:反射增加噪声原理

€3.小结

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图2-5:噪声和相应对策

功率型噪声不仅会影响器件的寿命,还会影响系统的数字信号和射频信号,比如雷雨天气花屏,通话有噪音,静电触摸闪屏等等,而信号型噪声只对信号质量有影响,不会损害器件的寿命。在处理系统的噪声问题时,首先就需要判断噪声的类型,然后根据噪声的类型判断其来源和产生原因,最后再制定相应静噪策略。

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