噪聲的產生機理和來源

噪聲廣泛存在于自然界，上節揭示了噪聲的本質，噪聲按照噪聲攜帶能量的強弱分為功率型噪聲和信號型噪聲，功率型噪聲持續時間短，能量強，對設備的壽命具有很大的影響，而信號型噪聲顧名思義來源于信號且作用于信號，本節簡述噪聲的產生機理和來源。

圖1：噪聲的分類

01 功率型噪聲的產生

①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后繼器件，并且對數字信號也會造成瞬間的干擾。

②浪涌

浪涌出現在電源網絡中，浪涌波持續時間相對于靜電長，但峰值較低，整體能量高于靜電，電源線中的浪涌如果不加消解，會直接損壞受電器件。

③波動

波動也是出現在電源網絡中，波動一部分是源端不穩，一部分是負載端變化過大，波動的危害小于浪涌，在一定范圍內不會有影響，波動超過一定閾值，就有風險，縮短用電器件的壽命。

④開關噪聲

DC-DC是開關型器件，所以DC-DC供電中雜帶的噪聲也歸結為開關噪聲，來源在于開關節點的高頻率切換產生高頻信號，該信號一部分輻射出去，一部分跟隨電源線傳輸進后級。

02 信號型噪聲的產生

①高速數字IC

CMOS電路簡化模型主要應用于數字IC，如圖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。數字IC通過控制驅動器側的與信號線相連接的開關，將其切換至電源側VDD或接地側GND，可將信號輸出電平設置為1或者0。

圖2：數字IC簡化模型

正常情況下，如果CMOS數字電路電源信號電平不改變，幾乎沒有電流流過。然而，如果柵電容充電電流（信號電平從0切換至1時）和放電電流（當信號電平從1切換至0時）通過信號線，如圖2-2所示，電流就會流過電源處和接地處。當信號切換時，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。

由于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，就會造成噪聲故障。此外，由于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運行不穩定（地彈）。

②振鈴

圖3：振鈴影響頻譜的構成

振鈴會產生更多高頻率的噪聲，如圖2-3所示，在頻譜上體現為頻率范圍拓寬，幅度增強。

③反射

如果信號沿互連線傳播時，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，接插件等處）發生變化，則一部分信號將被反射回源端，另一部分發生失真并繼續傳播，這正是單一網絡中多數信號完整性問題產生的主要原因，所以反射這一概念已經是信號完整性的范疇，但反射也會增加噪聲。

圖4：反射增加噪聲原理

03 小結

圖5：噪聲和相應對策

功率型噪聲不僅會影響器件的壽命，還會影響系統的數字信號和射頻信號，比如雷雨天氣花屏，通話有噪音，靜電觸摸閃屏等等，而信號型噪聲只對信號質量有影響，不會損害器件的壽命。在處理系統的噪聲問題時，首先就需要判斷噪聲的類型，然后根據噪聲的類型判斷其來源和產生原因，最后再制定相應靜噪策略。