多通道采集系统电噪声分析研究

梁晨，范新刚，咸纯醇，陈滨炜

（上海船舶电子设备研究所，上海 201108）

0 引言

在多通道采集系统中，受开关电源、高速时钟、多路总线数据、高速控制信号等恶劣数字噪声影响[1][2][3]，在采集系统同步工作时，高速大电流数字回路在低阻抗路径中会产生误差电压及噪声摆动[4][5]。在高增益模拟放大电路中将数字噪声引入前端[6][7]，产生电噪声干扰及电路震荡[8]，对接收系统性能指标产生严重影响。

1 电噪声产生原因

在多通道采集电路正常工作时，因模拟、数字工作电流经过接地阻抗环路会产生电噪声，如图1所示，无论是IA经过RA产生的模拟噪声还是高频数字逻辑信号产生的高频电流ID经过RD产生的数字噪声，直接影响着ADC性能指标[3]，通过铺设连续低阻抗大面积接地层、区分隔离模拟与数字环路，只能尽量减少电噪声及数字电流回路设计不合理而对模拟电路产生的误差电压及噪声摆动。

图1 模拟、数字电流返回路径示意图

ADC电路噪声主要包括量化噪声、电噪声、随机噪声及谐波失真，其中电噪声主要源于ADC内部和前端模拟电路，在带宽输入范围内，驱动器产生的电噪声会直接输入至ADC前端，产生采集误差，驱动器噪声模型如图2所示，差分放大出现的失衡现象也会产生共模分量误差，影响采集精度。ADC采集电路内部结构如图3所示，快速变化的数字电流通过内部阻抗产生电压，经杂散电容CS耦合至模拟电路，同时时钟、控制、总线等高速数字信号经数字接地层耦合至模拟电路，也直接将数字信号的高频分量引入模拟前端，产生高频噪声及干扰。

图2 ADC驱动器噪声模型

图3 ADC采集电路内部结构图

2 电噪声抑制措施

通过对系统电源、ADC输入前端驱动器、电流回路噪声耦合、数字信号干扰等原因引起的电噪声进行分析，分别采取相应措施，从电路设计、接地隔离布局、滤波处理等方面，降低电噪声对采集系统的性能影响。

2.1 电源设计

单路ADC采集电路结构如图4所示，VA为模拟部分供电，环路电流IA流经模拟部分后接至AGND，VD为数字部分供电端，环路电流ID电流流经数字电路后返回至DGND，旁路电容可将高频数字噪声耦合至DGND。但多通道采集电路一般采用高效开关电源而非传统LDO，因此模拟与数字电源都源于一套供电系统，在接入ADC电路时，需进行必要的高频抑制处理，采集电路中AGND与DGND通过大面积铺地直连在一起，统一接至AGND。ADC模拟电路的供电电源，同样也是前端模拟电路噪声的输入源，所以在模拟电路电源设计上需要提高其电源抑制比（PSRR-ac），在接入电路之前需要进行必要的滤波处理，如典型的π型滤波，在接地和布局上需保证电源回路接地层完整且连续，电源输出端和ADC供电端需增加去耦电容连接至模拟地。

图4 ADC电路结构图

2.2 驱动器设计

在ADC输入端，通常利用差分输入来抑制共模噪声及干扰，扩展动态范围，利用平衡信号提高性能。驱动器一般包括幅度缩放、单端转差分、缓冲、共模失调调整、滤波等部分。其中基本的全差分电压反馈ADC驱动器如图5所示，幅度平衡作为两个输出幅度上匹配程度的指标，需精确匹配，相位平衡为两输出相位180°的差异，若输出幅度与相位失衡会在输出中存在共模分量。带交流耦合输入端的差分转换器因输入电容阻断了直流反馈电流，造成放大器输入处直流共模电压等于直流输出共模电压，两个反馈路径均不含直流共模电流，功耗低于直流耦合驱动器。驱动器中量化噪声是衡量随机噪声和谐波失真的一种参考方法，通过计算总输出噪声电压密度可以与所选ADC的有效位ENOB进行比对，确保在理论设计上满足采集系统需求。

图5 全差分电压反馈驱动器结构图

2.3 接地设计

在单板卡ADC电路设计中，可简单地划分出数字地与模拟地，通过单点接地方式，从而达到将数字信号与模拟信号隔离的效果。但在多通道采集电路中，需要针对模拟与数字电路使用分离的接地层，在物理上分离较敏感的模拟电路与产生噪声较多的数字电路，通过避免重叠将二者之间的高频交流串扰与容性耦合降至最低。如附图6所示，通过“星型”接地方式，将相互分离的数字接地层与模拟接地层通过母板构成相应的接地网络，扩展延伸至多板卡、多系统网络，最终在系统电源接地处完成系统接地点连接，模拟、数字接地层在PCB中应保证大面积敷铜，与电源的连接方式应保证具有足够多的低阻抗线段进行紧密连接，如宽体铜质编织带，从而获得最小的感抗与阻值多条接地链路需满足大面积且连续的低阻抗特性。

图6 模拟与数字接地层分离方式

2.4 PCB布局设计

采集系统PCB布局设计需将系统中所有敏感区相互隔离，且尽量缩短信号路径，将高电平模拟信号与低电平模拟信号隔离，且二者均远离数字信号，防止不同信号相互干扰，降低系统噪声，具体布局结构可参考图7所示。此外对于系统采样时钟需特别注意其走线及返回路径位置，尽量与数字、模拟系统隔离开，避免对模拟信号产生噪声影响的同时还需防止数字电路对其产生影响。在多板卡系统中连接器上的信号应通过接地引脚相互分离，形成法拉第屏蔽效应，减少相互之间的耦合。

图7 PCB结构布局示意图

3 电噪声测量

在多板卡采集系统的电噪声测量中，主要测量采集系统在最大增益下的短路噪声水平，以及电噪声对各接收通道信号幅度、相位一致性影响。

3.1 最大增益下短路噪声测量

短接系统输入端，并将采集系统电路前端的模拟放大电路增益调至最大，增益调节时需观察调理电路未出现震荡现象，测量此时的系统电噪声水平，具体步骤可参考附图8，将最大增益下的多通道采集数据保存至数据记录仪，后经计算机处理分析，并将最大增益下电噪声的量化值减去放大电路固定增益和增益调节量，如下式所示，折算至输入端。

图8 最大增益下短路噪声测量图

短路噪声 = 测量值 - 固定增益 – 增益调节量

3.2 短路噪声频谱测量

参照附图8，短接系统输入端，调节增益控制，将模拟放大电路增益调至设计额定值，此时可观察到调理电路出现明显的噪声信号，测量此时的系统电噪声水平，将额定增益下的多通道采集数据保存至数据记录仪，后经计算机对各通道进行FFT处理，求得各通道频带范围内频谱大小，将频带范围内各通道频谱值累加可得出采集系统在带宽范围内噪声频谱分布情况。

3.3 幅度、相位一致性测量

利用信号源产生带宽内单频连续信号，灌入多通道采集系统模拟电路前端，设置固定增益大小，使信号放大至转换器满量程采集范围内，通过记录仪保存截取时间内的数据，在计算机中对各接收通道数据强度进行计算，对各通道之间的相位差进行计算。

图9 幅度、相位一致性测量图

4 电噪声影响分析

对多通道采集系统电噪声水平进行分析时，需从电源开关干扰，数字与模拟地串扰，时钟信号、数据传输信号、控制信号等高速数字信号，对电路性能指标的影响进行分析，通过采取有效措施，降低系统电噪声水平，提高抗干扰能力，保证采集系统设计的性能指标。

4.1 系统电源影响分析

受电源转换效率及电路体积限制，开关电源正逐步替代线性电源，应用于更广阔的领域范围，但对于高频电源噪声的抑制性能往往影响了电源的实际使用。对于开关电源的定频工作点，可针对性地将接收系统的频带范围与开关电源工作频率点拉开距离，采取π型滤波器对高频开关噪声进行滤波处理，通过分离模拟电路与数字电路供电系统，降低数字信号对模拟电路影响。对于第一奈奎斯特区，即二分之一采样频率，一般模数转换器具有60dB（1mV/V）的电源抑制比，对照手册中电源转换器带宽范围内的噪声密度，经60dB衰减后，需远低于ADC底噪声密度，而多通道采集系统的模数转换器相互之间可以作为不相关的噪声源来处理（平方和后求平方根），但多通道采集结果求和后扩大的动态范围，却降低了系统噪声强度，故在设计时需进一步降低系统电源带宽范围内的噪声强度。

4.2 模拟与数字接地方式影响分析

通常情况下，采用数字地与模拟地相互分离的方式，将ADC中AGND与DGND连接起来，且连接点为模拟接地层与数字接地层的交点，高噪声数字电流通过数字电源流入数字接地层，返回数字电源形成环路，与电路板模拟部分隔离。但在多板卡复杂混合电路中，很难通过采用器件手册的典型连接布局方式解决问题，对于低数字电流的混合器件，由于数字瞬态电流流入去耦电容与DGND间的环路，而未流经模拟接地层，模拟与数字接地层之间的噪声虽然会降低数字接口上的噪声裕量，但使用低阻抗数字接地层且保持在较低水平下，返回至系统电源接地点后，不会对系统性能造成不利影响间。但随着接收通道增多，数字电源系统功率增大，相对少量的数字电流环路流经模拟接地层，产生的高频信号串扰至模拟电路，会在采集前的模拟电路信号中增加高频耦合量，例如在多路逻辑信号同时扇出时，产生的压摆率约为30mA/ns的瞬态电流，在典型传输导线10nH电感量下，将产生300mV瞬时压降信号。

4.3 高频数字信号影响分析

多路采集通道在同步工作时，数字端口会在瞬时扇出较大电流，造成电路亚稳态工作，在出现误码的同时，瞬时大电流流经匹配不连续区间处，会产生谐波及干扰，同时，采样时钟的定频干扰和辐射噪声始终贯穿于整个电路中，多通道间也会产生高频串扰及耦合，影响ADC前端模拟电路，增大噪声水平和失真度。因此在数字信号驱动设计时，需通过串联匹配电阻，降低驱动电流，减少电路同时扇出时的电流冲击，同时利用数据缓存器，可将转换器数字线路与数据总线两端噪声隔离开，减小ADC输入、输出端驱动电流接地环路范围，减少数字开关电流，降低耦合至ADC模拟前端电路的可能，ADC电源端去耦连接至模拟地，逻辑电路端应去耦连接至数字接地层。

5 总结

通过对多通道采集系统电源、驱动器、接地方式及PCB布局等方面进行分析，结合对系统最大增益下短路噪声及频谱分布进行测量的结果，分析开关电源、ADC时钟信号，高速数字输出信号的功率谱密度对系统噪声的贡献，从而找出影响系统噪声水平的主要因素，有针对性地采取有效措施。此外通过对各通道幅度、相位一致性测量结果，结合各通道噪声水平大小，可对采集系统的模拟、数字接地方式及PCB布局进行优化，对接收系统中个别通道的性能短板进行定量分析，检验优化效果。

电噪声始终伴随着电路系统，单路采集电路设计方法往往并不适用于多通道采集系统，高增益动态控制的模拟放大电路更易受到高频数字信号的影响，对系统中所有输入、输出电源都应进行高频与低频去耦，必要时可串接铁氧体磁珠吸收高频噪声分量，高速数字信号缓存及匹配电阻可减少数字电流环路面积和大小，“星型”接地方式往往比“多点”接地方式更适用于多通道采集系统，数字地与模拟地隔离区分设计时，可预留连接点，通过实际测试判断哪种相连方式具有更加优异的性能指标。