PCB設計減少本底噪聲

在PCB設計時無法避免噪聲。明智的PCB設計選擇可以幫助你的系統減少本底噪聲。在采集敏感測量值的系統和其他通信系統中，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，它們會與熱噪聲一起出現。這會創建一個復雜的噪聲環境，可能難以分析，尤其是當電子系統中存在其他噪聲源時。這是本底噪聲如何確定希望在電子系統中看到的
較低噪聲水平以及在實際PCB中可以測量的很低噪聲水平。
是什么決定了本底噪聲？
PCB設計中的系統的溫度決定了本底噪聲。當系統溫度較高時，本底噪聲將較高。當我們說本底噪聲時，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，你希望在電子系統中測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所獨有的。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計性質的隨機模型的開發已成為近一個世紀以來的活躍研究領域。這些模型已用于描述電子，光學，金融，經濟學，生物學和其他領域的噪聲行為。
在電子系統中，當測量參考電阻兩端的電壓時，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地位，并且這些噪聲源對于正在研究的特定系統而言是唯一的。在足夠高的電流下避免散粒噪聲時，可以測量的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
何時本底噪聲占主導地位？
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量中輕松看到。
如果看一下熱噪聲帶寬的公式，你會發現熱噪聲波動與溫度的平方根成正比。電壓波動與所檢查系統的戴維寧電阻成正比，但是熱噪聲功率譜密度是一個與溫度成正比的常數（以開爾文為單位）。換句話說，將系統溫度提高20％將這些波動提高20％。
如果查看組件的數據手冊，則熱噪聲值通常約為nV /√Hz。你測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轉折頻率的頻率中占主導地位。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的結構，因此沒有通用的，封閉形式的解決方案可用于計算此轉折頻率。

一個簡單的示例，顯示了從1 / f噪聲到熱噪聲（又稱白噪聲）的過渡
PCB設計時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。如果查看組件數據表，通常會在超出建議工作溫度的較寬溫度范圍內指定系統的本底噪聲。
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，在大多數以mV電平運行的系統中，你可能不會注意到熱噪聲。對于具有100 nV RMS熱噪聲的1 mV信號，SNR值為40 dB，對于許多應用來說已經足夠。
如果要檢查信號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工作，從而使得在穿越信號鏈時模擬寬帶噪聲的行為變得非常容易。為了確定信號鏈中應使用的增益，應始終在帶有放大器的電子系統中模擬噪聲。
當需要模擬系統的熱行為并檢查熱本底噪聲如何影響PCB中的信號行為時，你需要使用正確的PCB設計和分析軟件。
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