梁晨，范新剛，咸純醇，陳濱煒

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

0 引言

在多通道采集系統(tǒng)中，受開關(guān)電源、高速時(shí)鐘、多路總線數(shù)據(jù)、高速控制信號(hào)等惡劣數(shù)字噪聲影響[1][2][3]，在采集系統(tǒng)同步工作時(shí)，高速大電流數(shù)字回路在低阻抗路徑中會(huì)產(chǎn)生誤差電壓及噪聲擺動(dòng)[4][5]。在高增益模擬放大電路中將數(shù)字噪聲引入前端[6][7]，產(chǎn)生電噪聲干擾及電路震蕩[8]，對(duì)接收系統(tǒng)性能指標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

1 電噪聲產(chǎn)生原因

在多通道采集電路正常工作時(shí)，因模擬、數(shù)字工作電流經(jīng)過接地阻抗環(huán)路會(huì)產(chǎn)生電噪聲，如圖1所示，無論是IA經(jīng)過RA產(chǎn)生的模擬噪聲還是高頻數(shù)字邏輯信號(hào)產(chǎn)生的高頻電流ID經(jīng)過RD產(chǎn)生的數(shù)字噪聲，直接影響著ADC性能指標(biāo)[3]，通過鋪設(shè)連續(xù)低阻抗大面積接地層、區(qū)分隔離模擬與數(shù)字環(huán)路，只能盡量減少電噪聲及數(shù)字電流回路設(shè)計(jì)不合理而對(duì)模擬電路產(chǎn)生的誤差電壓及噪聲擺動(dòng)。

圖1 模擬、數(shù)字電流返回路徑示意圖

ADC電路噪聲主要包括量化噪聲、電噪聲、隨機(jī)噪聲及諧波失真，其中電噪聲主要源于ADC內(nèi)部和前端模擬電路，在帶寬輸入范圍內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的電噪聲會(huì)直接輸入至ADC前端，產(chǎn)生采集誤差，驅(qū)動(dòng)器噪聲模型如圖2所示，差分放大出現(xiàn)的失衡現(xiàn)象也會(huì)產(chǎn)生共模分量誤差，影響采集精度。ADC采集電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，快速變化的數(shù)字電流通過內(nèi)部阻抗產(chǎn)生電壓，經(jīng)雜散電容CS耦合至模擬電路，同時(shí)時(shí)鐘、控制、總線等高速數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)字接地層耦合至模擬電路，也直接將數(shù)字信號(hào)的高頻分量引入模擬前端，產(chǎn)生高頻噪聲及干擾。

圖2 ADC驅(qū)動(dòng)器噪聲模型

圖3 ADC采集電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 電噪聲抑制措施

通過對(duì)系統(tǒng)電源、ADC輸入前端驅(qū)動(dòng)器、電流回路噪聲耦合、數(shù)字信號(hào)干擾等原因引起的電噪聲進(jìn)行分析，分別采取相應(yīng)措施，從電路設(shè)計(jì)、接地隔離布局、濾波處理等方面，降低電噪聲對(duì)采集系統(tǒng)的性能影響。

2.1 電源設(shè)計(jì)

單路ADC采集電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，VA為模擬部分供電，環(huán)路電流IA流經(jīng)模擬部分后接至AGND，VD為數(shù)字部分供電端，環(huán)路電流ID電流流經(jīng)數(shù)字電路后返回至DGND，旁路電容可將高頻數(shù)字噪聲耦合至DGND。但多通道采集電路一般采用高效開關(guān)電源而非傳統(tǒng)LDO，因此模擬與數(shù)字電源都源于一套供電系統(tǒng)，在接入ADC電路時(shí)，需進(jìn)行必要的高頻抑制處理，采集電路中AGND與DGND通過大面積鋪地直連在一起，統(tǒng)一接至AGND。ADC模擬電路的供電電源，同樣也是前端模擬電路噪聲的輸入源，所以在模擬電路電源設(shè)計(jì)上需要提高其電源抑制比（PSRR-ac），在接入電路之前需要進(jìn)行必要的濾波處理，如典型的π型濾波，在接地和布局上需保證電源回路接地層完整且連續(xù)，電源輸出端和ADC供電端需增加去耦電容連接至模擬地。

圖4 ADC電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

在ADC輸入端，通常利用差分輸入來抑制共模噪聲及干擾，擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，利用平衡信號(hào)提高性能。驅(qū)動(dòng)器一般包括幅度縮放、單端轉(zhuǎn)差分、緩沖、共模失調(diào)調(diào)整、濾波等部分。其中基本的全差分電壓反饋ADC驅(qū)動(dòng)器如圖5所示，幅度平衡作為兩個(gè)輸出幅度上匹配程度的指標(biāo)，需精確匹配，相位平衡為兩輸出相位180°的差異，若輸出幅度與相位失衡會(huì)在輸出中存在共模分量。帶交流耦合輸入端的差分轉(zhuǎn)換器因輸入電容阻斷了直流反饋電流，造成放大器輸入處直流共模電壓等于直流輸出共模電壓，兩個(gè)反饋路徑均不含直流共模電流，功耗低于直流耦合驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器中量化噪聲是衡量隨機(jī)噪聲和諧波失真的一種參考方法，通過計(jì)算總輸出噪聲電壓密度可以與所選ADC的有效位ENOB進(jìn)行比對(duì)，確保在理論設(shè)計(jì)上滿足采集系統(tǒng)需求。

圖5 全差分電壓反饋驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖

2.3 接地設(shè)計(jì)

在單板卡ADC電路設(shè)計(jì)中，可簡單地劃分出數(shù)字地與模擬地，通過單點(diǎn)接地方式，從而達(dá)到將數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)隔離的效果。但在多通道采集電路中，需要針對(duì)模擬與數(shù)字電路使用分離的接地層，在物理上分離較敏感的模擬電路與產(chǎn)生噪聲較多的數(shù)字電路，通過避免重疊將二者之間的高頻交流串?dāng)_與容性耦合降至最低。如附圖6所示，通過“星型”接地方式，將相互分離的數(shù)字接地層與模擬接地層通過母板構(gòu)成相應(yīng)的接地網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展延伸至多板卡、多系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，最終在系統(tǒng)電源接地處完成系統(tǒng)接地點(diǎn)連接，模擬、數(shù)字接地層在PCB中應(yīng)保證大面積敷銅，與電源的連接方式應(yīng)保證具有足夠多的低阻抗線段進(jìn)行緊密連接，如寬體銅質(zhì)編織帶，從而獲得最小的感抗與阻值多條接地鏈路需滿足大面積且連續(xù)的低阻抗特性。

圖6 模擬與數(shù)字接地層分離方式

2.4 PCB布局設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)PCB布局設(shè)計(jì)需將系統(tǒng)中所有敏感區(qū)相互隔離，且盡量縮短信號(hào)路徑，將高電平模擬信號(hào)與低電平模擬信號(hào)隔離，且二者均遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)，防止不同信號(hào)相互干擾，降低系統(tǒng)噪聲，具體布局結(jié)構(gòu)可參考圖7所示。此外對(duì)于系統(tǒng)采樣時(shí)鐘需特別注意其走線及返回路徑位置，盡量與數(shù)字、模擬系統(tǒng)隔離開，避免對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生噪聲影響的同時(shí)還需防止數(shù)字電路對(duì)其產(chǎn)生影響。在多板卡系統(tǒng)中連接器上的信號(hào)應(yīng)通過接地引腳相互分離，形成法拉第屏蔽效應(yīng)，減少相互之間的耦合。

圖7 PCB結(jié)構(gòu)布局示意圖

3 電噪聲測量

在多板卡采集系統(tǒng)的電噪聲測量中，主要測量采集系統(tǒng)在最大增益下的短路噪聲水平，以及電噪聲對(duì)各接收通道信號(hào)幅度、相位一致性影響。

3.1 最大增益下短路噪聲測量

短接系統(tǒng)輸入端，并將采集系統(tǒng)電路前端的模擬放大電路增益調(diào)至最大，增益調(diào)節(jié)時(shí)需觀察調(diào)理電路未出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，測量此時(shí)的系統(tǒng)電噪聲水平，具體步驟可參考附圖8，將最大增益下的多通道采集數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)記錄儀，后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理分析，并將最大增益下電噪聲的量化值減去放大電路固定增益和增益調(diào)節(jié)量，如下式所示，折算至輸入端。

圖8 最大增益下短路噪聲測量圖

短路噪聲 = 測量值 - 固定增益 – 增益調(diào)節(jié)量

3.2 短路噪聲頻譜測量

參照附圖8，短接系統(tǒng)輸入端，調(diào)節(jié)增益控制，將模擬放大電路增益調(diào)至設(shè)計(jì)額定值，此時(shí)可觀察到調(diào)理電路出現(xiàn)明顯的噪聲信號(hào)，測量此時(shí)的系統(tǒng)電噪聲水平，將額定增益下的多通道采集數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)記錄儀，后經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)各通道進(jìn)行FFT處理，求得各通道頻帶范圍內(nèi)頻譜大小，將頻帶范圍內(nèi)各通道頻譜值累加可得出采集系統(tǒng)在帶寬范圍內(nèi)噪聲頻譜分布情況。

3.3 幅度、相位一致性測量

利用信號(hào)源產(chǎn)生帶寬內(nèi)單頻連續(xù)信號(hào)，灌入多通道采集系統(tǒng)模擬電路前端，設(shè)置固定增益大小，使信號(hào)放大至轉(zhuǎn)換器滿量程采集范圍內(nèi)，通過記錄儀保存截取時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中對(duì)各接收通道數(shù)據(jù)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各通道之間的相位差進(jìn)行計(jì)算。

圖9 幅度、相位一致性測量圖

4 電噪聲影響分析

對(duì)多通道采集系統(tǒng)電噪聲水平進(jìn)行分析時(shí)，需從電源開關(guān)干擾，數(shù)字與模擬地串?dāng)_，時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)、控制信號(hào)等高速數(shù)字信號(hào)，對(duì)電路性能指標(biāo)的影響進(jìn)行分析，通過采取有效措施，降低系統(tǒng)電噪聲水平，提高抗干擾能力，保證采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。

4.1 系統(tǒng)電源影響分析

受電源轉(zhuǎn)換效率及電路體積限制，開關(guān)電源正逐步替代線性電源，應(yīng)用于更廣闊的領(lǐng)域范圍，但對(duì)于高頻電源噪聲的抑制性能往往影響了電源的實(shí)際使用。對(duì)于開關(guān)電源的定頻工作點(diǎn)，可針對(duì)性地將接收系統(tǒng)的頻帶范圍與開關(guān)電源工作頻率點(diǎn)拉開距離，采取π型濾波器對(duì)高頻開關(guān)噪聲進(jìn)行濾波處理，通過分離模擬電路與數(shù)字電路供電系統(tǒng)，降低數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路影響。對(duì)于第一奈奎斯特區(qū)，即二分之一采樣頻率，一般模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有60dB（1mV/V）的電源抑制比，對(duì)照手冊(cè)中電源轉(zhuǎn)換器帶寬范圍內(nèi)的噪聲密度，經(jīng)60dB衰減后，需遠(yuǎn)低于ADC底噪聲密度，而多通道采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器相互之間可以作為不相關(guān)的噪聲源來處理（平方和后求平方根），但多通道采集結(jié)果求和后擴(kuò)大的動(dòng)態(tài)范圍，卻降低了系統(tǒng)噪聲強(qiáng)度，故在設(shè)計(jì)時(shí)需進(jìn)一步降低系統(tǒng)電源帶寬范圍內(nèi)的噪聲強(qiáng)度。

4.2 模擬與數(shù)字接地方式影響分析

通常情況下，采用數(shù)字地與模擬地相互分離的方式，將ADC中AGND與DGND連接起來，且連接點(diǎn)為模擬接地層與數(shù)字接地層的交點(diǎn)，高噪聲數(shù)字電流通過數(shù)字電源流入數(shù)字接地層，返回?cái)?shù)字電源形成環(huán)路，與電路板模擬部分隔離。但在多板卡復(fù)雜混合電路中，很難通過采用器件手冊(cè)的典型連接布局方式解決問題，對(duì)于低數(shù)字電流的混合器件，由于數(shù)字瞬態(tài)電流流入去耦電容與DGND間的環(huán)路，而未流經(jīng)模擬接地層，模擬與數(shù)字接地層之間的噪聲雖然會(huì)降低數(shù)字接口上的噪聲裕量，但使用低阻抗數(shù)字接地層且保持在較低水平下，返回至系統(tǒng)電源接地點(diǎn)后，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成不利影響間。但隨著接收通道增多，數(shù)字電源系統(tǒng)功率增大，相對(duì)少量的數(shù)字電流環(huán)路流經(jīng)模擬接地層，產(chǎn)生的高頻信號(hào)串?dāng)_至模擬電路，會(huì)在采集前的模擬電路信號(hào)中增加高頻耦合量，例如在多路邏輯信號(hào)同時(shí)扇出時(shí)，產(chǎn)生的壓擺率約為30mA/ns的瞬態(tài)電流，在典型傳輸導(dǎo)線10nH電感量下，將產(chǎn)生300mV瞬時(shí)壓降信號(hào)。

4.3 高頻數(shù)字信號(hào)影響分析

多路采集通道在同步工作時(shí)，數(shù)字端口會(huì)在瞬時(shí)扇出較大電流，造成電路亞穩(wěn)態(tài)工作，在出現(xiàn)誤碼的同時(shí)，瞬時(shí)大電流流經(jīng)匹配不連續(xù)區(qū)間處，會(huì)產(chǎn)生諧波及干擾，同時(shí)，采樣時(shí)鐘的定頻干擾和輻射噪聲始終貫穿于整個(gè)電路中，多通道間也會(huì)產(chǎn)生高頻串?dāng)_及耦合，影響ADC前端模擬電路，增大噪聲水平和失真度。因此在數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，需通過串聯(lián)匹配電阻，降低驅(qū)動(dòng)電流，減少電路同時(shí)扇出時(shí)的電流沖擊，同時(shí)利用數(shù)據(jù)緩存器，可將轉(zhuǎn)換器數(shù)字線路與數(shù)據(jù)總線兩端噪聲隔離開，減小ADC輸入、輸出端驅(qū)動(dòng)電流接地環(huán)路范圍，減少數(shù)字開關(guān)電流，降低耦合至ADC模擬前端電路的可能，ADC電源端去耦連接至模擬地，邏輯電路端應(yīng)去耦連接至數(shù)字接地層。

5 總結(jié)

通過對(duì)多通道采集系統(tǒng)電源、驅(qū)動(dòng)器、接地方式及PCB布局等方面進(jìn)行分析，結(jié)合對(duì)系統(tǒng)最大增益下短路噪聲及頻譜分布進(jìn)行測量的結(jié)果，分析開關(guān)電源、ADC時(shí)鐘信號(hào)，高速數(shù)字輸出信號(hào)的功率譜密度對(duì)系統(tǒng)噪聲的貢獻(xiàn)，從而找出影響系統(tǒng)噪聲水平的主要因素，有針對(duì)性地采取有效措施。此外通過對(duì)各通道幅度、相位一致性測量結(jié)果，結(jié)合各通道噪聲水平大小，可對(duì)采集系統(tǒng)的模擬、數(shù)字接地方式及PCB布局進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)接收系統(tǒng)中個(gè)別通道的性能短板進(jìn)行定量分析，檢驗(yàn)優(yōu)化效果。

電噪聲始終伴隨著電路系統(tǒng)，單路采集電路設(shè)計(jì)方法往往并不適用于多通道采集系統(tǒng)，高增益動(dòng)態(tài)控制的模擬放大電路更易受到高頻數(shù)字信號(hào)的影響，對(duì)系統(tǒng)中所有輸入、輸出電源都應(yīng)進(jìn)行高頻與低頻去耦，必要時(shí)可串接鐵氧體磁珠吸收高頻噪聲分量，高速數(shù)字信號(hào)緩存及匹配電阻可減少數(shù)字電流環(huán)路面積和大小，“星型”接地方式往往比“多點(diǎn)”接地方式更適用于多通道采集系統(tǒng)，數(shù)字地與模擬地隔離區(qū)分設(shè)計(jì)時(shí)，可預(yù)留連接點(diǎn)，通過實(shí)際測試判斷哪種相連方式具有更加優(yōu)異的性能指標(biāo)。