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雜訊的產生機理和來源

2024-01-18科學

雜訊按照雜訊攜帶能量的強弱分為功率型雜訊和訊號型雜訊,功率型雜訊持續時間短,能量強,對器材的壽命具有很大的影響,而訊號型雜訊顧名思義來源於訊號且作用於訊號,本節簡述雜訊的產生機理和來源。

圖2-1:雜訊的分類

1.功率型雜訊的產生

靜電

靜電是不同物理性質的物體表面積聚的電荷發生短時間轉移的現象,靜電的特征是持續時間端,脈沖高,不加防護策略的話容易損壞後繼器件,並且對數碼訊號也會造成瞬間的幹擾。

浪湧

浪湧出現在電源網絡中,浪湧波持續時間相對於靜電長,但峰值較低,整體能量高於靜電,電源線中的浪湧如果不加消解,會直接損壞受電器件。

波動

波動也是出現在電源網絡中,波動一部份是源端不穩,一部份是負載端變化過大,波動的危害小於浪湧,在一定範圍內不會有影響,波動超過一定閾值,就有風險,縮短用電器件的壽命。

開關雜訊

DC-DC是開關型器件,所以DC-DC供電中雜帶的雜訊也歸結為開關雜訊,來源在於開關節點的高頻率切換產生高頻訊號,該訊號一部份輻射出去,一部份跟隨電源線傳輸進後級。

2.訊號型雜訊的產生

高速數碼IC

CMOS電路簡化模型主要套用於數碼IC,如圖2-2所示。驅動器側的CMOS晶體管的工作用開關簡化表示,接收器側的CMOS晶體管柵電容用接地電容器表示。數碼IC透過控制驅動器側的與訊號線相連線的開關,將其切換至電源側VDD或接地側GND,可將訊號輸出電平設定為1或者0。

圖2-2:數碼IC簡化模型

正常情況下,如果CMOS數碼電路電源訊號電平不改變,幾乎沒有電流流過。然而,如果柵電容充電電流(訊號電平從0切換至1時)和放電電流(當訊號電平從1切換至0時)透過訊號線,如圖2-2所示,電流就會流過電源處和接地處。當訊號切換時,除了此電流,還有所謂的直通電流會從驅動器電源處流向接地處,直通電流也成為脈動電流流經電源處和接地處。

由於這類電流跳動非常劇烈,包括很多頻率元件,因此當能量向外輻射時,就會造成雜訊故障。此外,由於電流急劇變化造成電源電壓變化(電源和接地模式電感),會造成共用同一電源的外圍電路執行不穩定(地彈)。

振鈴

圖2-3:振鈴影響頻譜的構成

振鈴會產生更多高頻率的雜訊,如圖2-3所示,在頻譜上體現為頻率範圍拓寬,振幅增強。

反射

如果訊號沿互連線傳播時,所受到的瞬態阻抗(線末端或者是互連線拓撲結構發生改變的地方,例如拐角,過孔,T型結構,接外掛程式等處)發生變化,則一部份訊號將被反射回源端,另一部份發生失真並繼續傳播,這正是單一網絡中多數訊號完整性問題產生的主要原因,所以反射這一概念已經是訊號完整性的範疇,但反射也會增加雜訊。

圖2-4:反射增加雜訊原理

3.小結

圖2-5:雜訊和相應對策

功率型雜訊不僅會影響器件的壽命,還會影響系統的數碼訊號和射頻訊號,比如雷雨天氣花屏,通話有噪音,靜電觸摸閃屏等等,而訊號型雜訊只對訊號質素有影響,不會損害器件的壽命。在處理系統的雜訊問題時,首先就需要判斷雜訊的類別,然後根據雜訊的類別判斷其來源和產生原因,最後再制定相應靜噪策略。