仪器仪表PCB的低噪声设计是确保测量精度的核心，需系统化解决电源噪声、电磁干扰和布线寄生三大源头，将整体噪声控制在μV级。以下从噪声来源、解决方案到案例验证进行解析。
? 核心噪声源分析
仪器仪表PCB的噪声主要来自三个方面：
• 电源噪声：DC-DC转换器或LDO的开关动作产生低频纹波（100Hz-1MHz）和高频尖峰（1MHz-100MHz）。例如，未滤波的3.3V LDO纹波可耦合至ADC输入，使12位ADC量化误差增加0.05%-0.1%。开关电源的高频尖峰（如50mV峰峰值）还会恶化传感器信噪比，从60dB降至40dB。
• 电磁干扰（EMI）：包括外部干扰（如工业变频器辐射10V/m）和内部干扰（如MCU时钟辐射）。若模拟信号线与数字线平行布线，可能引入10μV级噪声；在强辐射环境下，压力变送器的测量误差可从0.5%增至2%。
• 布线寄生噪声：布线的寄生电容（约0.1pF/mm）和电感（约0.1nH/mm）会衰减信号或产生电压尖峰。例如，10mm传感器布线因寄生电容可导致10kHz信号衰减5%，而电源线寄生电感在电流突变时（如1mA→100mA）可产生10mV尖峰。
?️ 低噪声设计解决方案
针对上述噪声，需采用组合策略：
1. 电源噪声抑制——分级滤波与器件选型
• 分级滤波：电源入口采用π型滤波器（射频扼流圈+10μF电解电容）抑制低频纹波；芯片供电端并联0.1μF MLCC和1000pF陶瓷电容滤除高频噪声，电容需紧贴芯片引脚（距离≤5mm）以减少寄生电感影响。
• 低噪声LDO选型：高精度电路（如ADC）应选用专用低噪声LDO（如TPS7A4700，噪声≤1.5μVrms），替代普通LDO（噪声≥10μVrms），可降低电源噪声80%。
2. 电磁干扰抑制——屏蔽与隔离
• 屏蔽设计：为模拟区域添加金属屏蔽腔（铝或黄铜，厚度0.2mm），并确保屏蔽体与PCB地低阻抗连接（阻抗≤0.1Ω），可将外部辐射干扰从10μV降至1μV。敏感接口（如光电传感器）需使用屏蔽电缆，屏蔽层单端接地避免地环流。
• 信号与电源隔离：模拟信号通过光耦或隔离放大器（如AD8475）隔离数字噪声；数字与模拟电源采用隔离模块（如DCP0105）切断传导路径。
? 核心噪声源分析
仪器仪表PCB的噪声主要来自三个方面：
• 电源噪声：DC-DC转换器或LDO的开关动作产生低频纹波（100Hz-1MHz）和高频尖峰（1MHz-100MHz）。例如，未滤波的3.3V LDO纹波可耦合至ADC输入，使12位ADC量化误差增加0.05%-0.1%。开关电源的高频尖峰（如50mV峰峰值）还会恶化传感器信噪比，从60dB降至40dB。
• 电磁干扰（EMI）：包括外部干扰（如工业变频器辐射10V/m）和内部干扰（如MCU时钟辐射）。若模拟信号线与数字线平行布线，可能引入10μV级噪声；在强辐射环境下，压力变送器的测量误差可从0.5%增至2%。
• 布线寄生噪声：布线的寄生电容（约0.1pF/mm）和电感（约0.1nH/mm）会衰减信号或产生电压尖峰。例如，10mm传感器布线因寄生电容可导致10kHz信号衰减5%，而电源线寄生电感在电流突变时（如1mA→100mA）可产生10mV尖峰。
?️ 低噪声设计解决方案
针对上述噪声，需采用组合策略：
1. 电源噪声抑制——分级滤波与器件选型
• 分级滤波：电源入口采用π型滤波器（射频扼流圈+10μF电解电容）抑制低频纹波；芯片供电端并联0.1μF MLCC和1000pF陶瓷电容滤除高频噪声，电容需紧贴芯片引脚（距离≤5mm）以减少寄生电感影响。
• 低噪声LDO选型：高精度电路（如ADC）应选用专用低噪声LDO（如TPS7A4700，噪声≤1.5μVrms），替代普通LDO（噪声≥10μVrms），可降低电源噪声80%。
2. 电磁干扰抑制——屏蔽与隔离
• 屏蔽设计：为模拟区域添加金属屏蔽腔（铝或黄铜，厚度0.2mm），并确保屏蔽体与PCB地低阻抗连接（阻抗≤0.1Ω），可将外部辐射干扰从10μV降至1μV。敏感接口（如光电传感器）需使用屏蔽电缆，屏蔽层单端接地避免地环流。
• 信号与电源隔离：模拟信号通过光耦或隔离放大器（如AD8475）隔离数字噪声；数字与模拟电源采用隔离模块（如DCP0105）切断传导路径。
