技术资讯 | 一文了解噪声电压频谱密度

关键要点
噪声电压谱密度用来表示在一定频率范围内电路中存在的随机电噪声的数量。

• 不同类型的噪声具有不同的频谱密度分布，它描述了噪声能量不同频率上是如何分布的。

• 频谱密度分布会影响PCB设计决策，涉及到如何划分噪声和敏感部分、接地策略、去耦电容器的放置等。

白噪声（如上图所示）具有独特的噪声电压谱密度。

噪声电压频谱密度，有时称为噪声密度或噪声电压密度，用来表示电子元件或电路中在一定频率范围内存在的随机电噪声量，它对PCB设计有着重大影响， 这将在后面讨论。首先，让我们看一下不同类型的噪声及其频谱密度分布。

常见噪声类型及其频谱密度分布

不同类型的噪声，都有不同的频谱密度分布，它描述了噪声能量如何在频率上分布。以下是一些常见的噪声类型及其频谱密度分布：

• 白噪声（热噪声或约翰逊-奈奎斯特噪声）：在所有频率上都具有恒定的频谱密度，这意味着其能量在整个频谱上均匀分布。它的特点是噪声密度图平坦。白噪声主要是由导体中电子的热运动引起的，存在于所有电子元件和电路中。

• 散粒噪声：是由电流的离散性质引起的，由单个电荷载流子到达时间的统计变化引起。其频谱密度在不同频率上也相对平坦。在电子设备中，散粒噪声在低电流下更为明显。

• 闪烁噪声（也称为1 / f噪声或低频噪声）：随着频率的降低而增加，这意味着其能量集中在较低的频率。闪烁噪声的频谱密度与频率呈反比关系，通常导致对数频率轴上的曲线斜率。闪烁噪声通常与半导体材料的缺陷或不规则性有关，并会显着影响低频电子系统。

• 粉红噪声：是一种在倍频宽频带中具有相同能量的噪声。换句话说，它的频谱密度每倍频降低3 dB。这种类型的噪声通常被认为在频率分布上比白噪声更平衡。它是由设备中凝聚态材料的缓慢波动引起的

• 高斯噪声：也称为正态噪声，具有遵循高斯概率分布的随机分布。它的频谱密度取决于噪声幅度的标准偏差，并且不像其他类型的噪声那样表现出特定的频率特性。高斯噪声通常用作理论或建模假设。它是由原子的热振动引起的。

• 脉冲噪声：由电压或电流的突然和短暂尖峰组成。它的频谱密度可以根据脉冲的样式和频率而变化，但在许多情况下，它局限于与脉冲时间相对应的特定频率。它通常是由压缩气体的快速释放或固体物体的碰撞引起的。

了解元件或电路的噪声电压频谱密度在各种应用中至关重要，例如设计低噪声放大器、通信系统和其他敏感电子系统，在这些系统中，最小化噪声干扰对于精确的信号处理和通信至关重要。

噪声电压频谱密度和PCB设计

PCB设计策略受噪声电压频谱密度的影响。通过表征不同频率范围内的噪声能量分布，工程师可以排列器件、走线和接地层，以确保最佳的信号完整性。频谱密度分布会影响到与噪声和敏感部分划分、接地策略和去耦电容放置等相关的决策。

以下是如何在PCB设计中考虑噪声电压频谱密度考虑因素影响：

• 信号完整性和串扰： 噪声会降低PCB上信号的完整性，导致信号失真、抖动和时序问题。在设计高速电路时了解噪声电压频谱密度对于管理信号完整性至关重要。走线、接地层和电源层的正确放置和布线有助于缓解噪声引起的信号完整性问题。走线之间的串扰也会导致噪声耦合，因此仔细的布局实践至关重要。

• 接地层设计：精心设计的接地层有助于为电流提供低阻抗返回路径，并降低电磁干扰 （EMI）。来自不同来源的噪声可能会通过共享接地路径耦合到敏感走线中。通过设计牢靠的接地层并使用适当的接地技术，可以将噪声对电路的影响降至最低。

• 分区和隔离： 将产生噪声的元件与敏感元件分开是缓解噪声相关问题的常用技术。噪声电压频谱密度考虑因素有助于指导元件的放置，以最大程度地减少噪声耦合。高频元件和噪声源应与敏感的模拟或数字部分隔离，以防止不必要的干扰。

• 去耦和旁路电容器：由于电压波动，噪声可能会通过电源线引入。在PCB上战略性地放置去耦和旁路电容器有助于稳定电源并减少噪声引起的电压变化。电容器类型、值和位置的选择取决于不同频率范围内的噪声特性。

• 元器件选择： 元器件本身会导致噪声的产生和传播。在选择PCB元件时， 必须考虑它们的噪声特性以及它们如何与其他元件相互作用。低噪声元件，如低噪声放大器，是敏感应用的首选。

• EMI 和 ESD 注意事项： PCB上的噪声会导致EMI问题，影响电路板的性能，并给附近的其他电子设备带来问题。降低噪声的精心设计有助于最大限度地降低EMI。此外，设计具有适当静电放电（ESD）保护的PCB可以防止瞬态噪声。

• 屏蔽和过滤： 对于高频应用，可以通过屏蔽和滤波技术有效降低噪声。屏蔽可以防止外部电磁场耦合到电路中，滤波器可以衰减特定频率范围内的噪声。

• 散热注意事项：一些噪声源（如热噪声）会受到温度的影响。适当的散热策略对于防止可能影响敏感元器件性能的温度相关噪声波动至关重要。

了解噪声电压谱密度及其在频率范围内的分布有助于指导PCB设计的各个方面。通过精心考虑噪声相关因素，工程师可以创建最大限度地提高信号完整性、最大限度地减少干扰并确保电子系统整体功能的PCB布局。在PCB设计过程中有效解决噪声电压谱密度问题，可防止不必要的信号失真、EMI和其他噪声引起的挑战，确保电子系统的功能性和可靠性。

小化噪声干扰对于精确的信号处理和通信至关重要。

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