单片机与DSP中的降低高速DSP系统设计中的电源噪声

具有较高时钟率和速度的高速DSP系统设计正在变得日益复杂。结果，增加了噪声源数。现在，高端DSP的时钟率（1GHz）和速度（500MHz）产生可观的谐波，这些是由于PCB线迹的作用如同天线所致。由此引起的噪声使音频、视频、图像和通信功能降低并对达到FCC/CE商标认证造成问题。为了降低电源噪声，对于高速DSP系统设计人员来讲，识别和找出可能的噪声原因以及采用良好的高速设计实践是关键。本文说明交扰、锁相环（PLL）、去耦/体电容器在降低噪声中的重要性。降低交扰交扰是一个重要的噪声源。在高速系统中，信号地通路依赖于工作频率。对于低速信号（<10MHz），电流经过最小电阻地通路（最短通路）返回到源。 在现代电子设计中，高速数字信号处理（DSP）系统已经成为许多领域的核心技术，特别是在音频、视频、图像和通信应用中。然而，随着时钟频率和处理速度的不断提升，系统设计的复杂性和挑战也随之增加，其中电源噪声问题尤为显著。高端DSP芯片的时钟速率可能高达1GHz，速度达到500MHz，这样的高速操作会引发大量的谐波，这些谐波通过印刷电路板（PCB）的线路传播，就像天线一样，导致噪声污染，不仅影响系统性能，还可能导致无法满足FCC/CE的电磁兼容性标准。 降低电源噪声是高速DSP系统设计的关键。我们需要理解交扰这一重要的噪声源。在低速信号中，电流通常沿着最短路径返回源，即最小电阻地通路。然而，在高速系统中，信号地路径取决于工作频率。当信号频率超过10MHz，电流开始通过最小电感路径返回，这就可能导致相邻信号的地线路径重叠，产生交扰。为了减少交扰，我们可以采取一些措施，比如增大信号线迹之间的间距，增加地平面，降低谐波分量，以及使用线迹端接技术。对于关键信号，如时钟，应该进行屏蔽，并尽量将它们路由到电源和平地层之间，或者在关键信号下方添加地平面。 锁相环（PLL）是另一个重要的噪声源，尤其是在数字和模拟PLL被广泛应用的情况下。PLL的电源应该隔离，并通过π型滤波器去除高频噪声。然而，对于低频噪声，可能需要多级滤波器网络。在高噪声环境中，选择具有高电源抑制比（PSRR）的低压降（LDO）稳压器更为合适，因为它们在低频段有更好的噪声抑制能力。 地线的处理也至关重要。虽然在低速电路中分离模拟和数字地是好的做法，但在高速电路（如视频处理）中，应该避免这种分离，以免因电流环路增大而增加噪声。在数字数据输入点，模拟和数字地应短暂连接，以提供一个直接的返回路径，同时不影响低频信号。 电容器在降低噪声方面发挥着重要作用。去耦电容器用于旁路高频噪声，体电容器用于旁路低频噪声并提供本地电荷存储。理想的电容器配置是同时包含高值和低值电容器，如果无法实现，0.01μF的电容器是一个常见的妥协选择。体电容器的值通常应是总去耦电容器的10倍以上。在选择电容器类型时，钽电容器通常优于电解电容器，因为它们具有更低的等效串联电阻（ESR），而陶瓷电容器则更适合于高频去耦。 设计高速DSP系统时，必须重视电源噪声管理，通过优化布局、布线、地线策略，以及合理选用和布置电容器，可以显著降低噪声，提高系统的稳定性和可靠性。同时，理解和应用正确的高速设计原则，如信号完整性和电源完整性，对于构建高性能的高速DSP系统至关重要。