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电源噪声

2017-5-16 18:30:52      点击:

定义

电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。

发生原因

1、直流稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的,会有一定的波纹。这是由稳压芯片自身决定的,一旦选好了稳压电源芯片,对这部分噪声我们只能接受,无法控制。

2、直流稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源芯片通过感知其输出电压的变化,调整其输出电流,从而把输出电压调整回额定输出值。多数常用的稳压源调整电压的时间在毫秒到微秒量级。因此,对于负载电流变化频率在直流到几百 KHz 之间时,稳压源可以很好的做出调整,保持输出电压的稳定。当负载瞬态电流变化频率超出这一范围时,稳压源的电压输出会出现跌落,从而产生电源噪声。微处理器的内核及外设的时钟频率已经大于了 600 兆赫兹,内部晶体管电平转换时间下降到 800 皮秒以下。稳压电源芯片不可能满足直流到 1GHz范围内都能快速响应负载电流的变化这一苛刻要求。

3、负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降。PCB 板上任何电气路径不可避免的会存在阻抗,不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板,通常提供一个完整的电源平面和地平面,稳压电源输出首先接入电源平面,供电电流流经电源平面,到达负载电源引脚。地路径和电源路径类似,只不过电流路径变成了地平面。完整平面的阻抗很低,但确实存在。如果不使用平面而使用引线,那么路径上的阻抗会更高。另外,引脚及焊盘本身也会有寄生电感存在,瞬态电流流经此路径必然产生压降,因此负载芯片电源引脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动,这就是阻抗产生的电源噪声。在电源路径表现为负载芯片电源引脚处的电压轨道塌陷, 在地路径表现为负载芯片地引脚处的电位和参考地电位不同 (注意, 这和地弹不同, 地弹是指芯片内部参考地电位相对于板级参考地电位的跳变)

分类

热噪声,随机但有通式

在绝对零度以上的任何温度,导体或半导体中的载流子(电子和空穴)会发生扰动,这就是热噪声(亦称约翰逊噪声或白噪声)的来源。热噪声功率与温度成比例。它具有随机性,因而不随频率而变化。热噪声是一个物理过程,可以通过下式计算:

Vn = √(4kTRB)

k表示波尔兹曼常数(1.38−23 J/K)

T表示绝对温度(K = 273°C)

R表示电阻(单位Ω)

B表示观察到噪声的带宽(单位Hz,电阻上测得的均方根电压也是进行测量的带宽的函数)

1/f 噪声

1/f 噪声来源于半导体的表面缺陷,声功率与器件的偏置电流成正比,并且与频率成反比,这一点与热噪声不同。即使频率非常低,该反比特性也成立,然而,当频率高于数kHz时,关系曲线几乎是平坦的。1/f 噪声也称为粉红噪声,因为其权重在频谱的低端相对较高。

1/f 噪声主要取决于器件几何形状、器件类型和半导体材料,因此,要创建其数学模型极其困难,通常使用各种情况的经验测试来表征和预测1/f噪声。

一般而言,具有埋入结的器件,如双极性晶体管和JFET等,其1/f 噪声往往低于MOSFET等表面器件。

散粒噪声

散粒噪声发生在有势垒的地方,例如PN结中。半导体器件中的电流具有量子特性,电流不是连续的。当电荷载子、空穴和电子跨过势垒时,就会产生散粒噪声。像热噪声一样,散粒噪声也是随机的,不随频率而变化。

低频噪声

爆米花噪声是一种低频噪声,似乎与离子污染有关。爆米花噪声表现为电路的偏置电流或输出电压突然发生偏移,这种偏移持续的时间很短,然后偏置电流或输出电压又突然返回其原始状态。这种偏移是随机的,但似乎与偏置电流成正比,与频率的平方成反比(1/f2)。

爆裂噪声

爆裂噪声和爆米花噪声相同,也是一种低频噪声,似乎与离子污染有关。但由于现代半导体工艺技术的洁净度非常高,爆裂噪声几乎已经被消除,不再是器件噪声的一个主要因素。

使用示波器的测量方法


1、用示波器的交流耦合档位;

2、带宽限制成20MHz;

3、把示波器探头的地夹线去掉,用探针和裸露的地靠接电源的输出,观察输出的波形。

手上在用一个隔离的ZY0505BS-1W,随便测了下,如下图。

使用示波器测量出来的电源噪声和电源纹波图