روش‌های کاهش نویز در مدارهای آنالوگ: راهکارهای عملی و تئوری

روش‌های کاهش نویز در مدارهای آنالوگ : راهکارهای عملی و تئوری مدارهای آنالوگ به دلیل حساسیت بالا به سیگنال‌های ضعیف، همواره تحت تأثیر نویزهای الکتریکی قرار دارند. این نویزها می‌توانند از منابع داخلی (مانند نویز حرارتی و شاتکی) یا عوامل خارجی (مانند تداخل الکترومغناطیسی) ناشی شوند. در این مقاله، به بررسی انواع نویز در مدارهای آنالوگ و روش‌های مؤثر برای کاهش آن می‌پردازیم. همچنین، تکنیک‌های طراحی PCB، فیلترگذاری، و انتخاب قطعات بهینه برای بهبود کیفیت سیگنال مورد بحث قرار می‌گیرد

1. مقدمه

سیستم‌های الکترونیکی، نویز به هرگونه سیگنال ناخواسته‌ای گفته می‌شود که بر عملکرد مدار تأثیر منفی می‌گذارد. در مدارهای آنالوگ، این نویز می‌تواند باعث تحریف سیگنال، کاهش دقت و افزایش خطا شود. از این رو، شناخت منابع نویز و روش‌های کاهش آن برای طراحی مدارهای پایدار ضروری است.

2. انواع نویز در مدارهای آنالوگ

2-1. نویز حرارتی (Thermal Noise)

ناشی از حرکت تصادفی الکترون‌ها در مقاومت‌ها و هادی‌ها.
با رابطه Vn=4kTRBVn=4kTRB
محاسبه می‌شود (k: ثابت بولتزمن، T: دما، R: مقاومت، B: پهنای باند).

2-2. نویز شاتکی (Shot Noise)

در اثر عبور ناپیوسته جریان در پیوندهای نیمه‌هادی (مانند دیودها و ترانزیستورها).
رابطه آن In=2qIDCBIn=2qIDCB
است (q: بار الکترون، IDCIDC: جریان DC).

2-3. نویز فلیکر (Flicker Noise / 1/f Noise)

در فرکانس‌های پایین غالب است و در ترانزیستورها و مقاومت‌های کربنی مشاهده می‌شود.

2-4. نویز EMI (تداخل الکترومغناطیسی)

ناشی از منابع خارجی مانند خطوط برق، موتورها و امواج رادیویی

3. روش‌های کاهش نویز در مدارهای آنالوگ

3-1. طراحی PCB بهینه

استفاده از گراند پلن (Ground Plane): کاهش امپدانس مسیر بازگشت جریان.
تفکیک بخش‌های دیجیتال و آنالوگ: جلوگیری از کوپلینگ نویز.
مسیرهای کوتاه سیگنال: کاهش اثر آنتن‌شدن و تشعشع EMI.

3-2. فیلترگذاری (Filtering)

فیلتر پایین‌گذر (LPF): حذف نویزهای فرکانس بالا.
فیلتر ناچ (Notch Filter): حذف نویزهای تنی (مثل نویز برق 50/60Hz).
استفاده از فیلترهای فعال (Active Filters): مانند فیلترهای Sallen-Key.

3-3. شیلدینگ و محافظت

محافظت با فویل مسی: برای بلوک‌های حساس به نویز.
استفاده از کابل‌های شیلددار: در مسیرهای سیگنال‌های آنالوگ.

3-4. انتخاب قطعات کم‌نویز

مقاومت‌های فلزی (Metal Film): نویز کمتر نسبت به مقاومت‌های کربنی.
ترانزیستورهای Low-Noise: مانند JFETها و Op-Ampهای کم‌نویز (مثال: OPA1612).

3-5. کاهش نویز منبع تغذیه

استفاده از رگولاتورهای LDO: کاهش ریپل ولتاژ.
بایپس‌کپاسیتورها (Bypass Capacitors): مانند 0.1µF نزدیک پایه‌های تغذیه ICها.

4. نتیجه‌گیری

کاهش نویز در مدارهای آنالوگ نیازمند ترکیبی از طراحی صحیح PCB، فیلترگذاری هوشمند و انتخاب قطعات مناسب است. با به‌کارگیری روش‌های ذکرشده، می‌توان سیگنال‌های آنالوگ را با کمترین اعوجاج پردازش کرد. این تکنیک‌ها به ویژه در طراحی دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های ارتباطی و تجهیزات اندازه‌گیری دقیق حیاتی هستند.