วงจรแอนะล็อกเป็นหัวใจสำคัญของระบบอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท โดยทำหน้าที่ให้สัญญาณที่ถูกต้องและแม่นยำสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม หนึ่งในความท้าทายที่วิศวกรออกแบบต้องเผชิญคือการจัดการกับสัญญาณรบกวน (noise) และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Interference: EMI) ในวงจรเหล่านี้ ความไม่สม่ำเสมอดังกล่าวสามารถรบกวนสัญญาณเอาต์พุต ส่งผลกระทบในทางลบต่อการพัฒนาวงจรที่เชื่อถือได้และปราศจากสัญญาณรบกวน บทความนี้จะสำรวจประเภทของสัญญาณรบกวนและอภิปรายกลยุทธ์เชิงปฏิบัติเพื่อลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนเหล่านั้น

แหล่งที่มาและประเภทของสัญญาณรบกวน

มีปัจจัยหลายประการที่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนในวงจรแอนะล็อก เช่น สัญญาณรบกวนจากความร้อน (thermal noise), สัญญาณรบกวนแบบช็อต (shot noise), สัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์ (flicker noise) และสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า สัญญาณรบกวนแต่ละประเภทส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ในวงจรที่แตกต่างกัน และการทำความเข้าใจแหล่งกำเนิดเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญต่อการลดสัญญาณรบกวนอย่างมีประสิทธิภาพ

สัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์ หรือที่เรียกว่า 1/f noise เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดในย่านความถี่ต่ำ ซึ่งมีสาเหตุมาจากความไม่สม่ำเสมอในเส้นทางการนำกระแสและกระแสไบอัสภายในทรานซิสเตอร์ ที่ความถี่สูงขึ้น สัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์จะสังเกตเห็นได้น้อยลง เนื่องจากสัญญาณรบกวนแบบไวท์นอยส์ (white noise) มีอิทธิพลเด่นกว่า จึงเป็นที่มาของชื่อเรียก “1/f” แม้ว่าสัญญาณรบกวนแบบฟลิกเกอร์ภายในจะไม่สามารถควบคุมได้โดยตรง แต่นักออกแบบระบบสามารถลดผลกระทบนี้ได้ด้วยการเลือกแอมพลิไฟเออร์ที่เหมาะสมกับการใช้งาน

สัญญาณรบกวนแบบช็อต หรือ Schottky noise เกิดจากความไม่สมบูรณ์ในการนำของพาหะประจุ เมื่ออิเล็กตรอนพบกับสิ่งกีดขวาง (เช่น ความไม่สมบูรณ์ในโลหะ) พลังงานศักย์จะสะสมจนกระทั่งอิเล็กตรอนสามารถข้ามสิ่งกีดขวางนั้นได้อย่างฉับพลันในลักษณะ “ช็อต” สัญญาณรบกวนแบบช็อตมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับการไหลของกระแส ดังนั้นกระแสที่น้อยลงจะทำให้แรงดันสัญญาณรบกวนแบบช็อตมีมากขึ้น การเพิ่มกระแสจะช่วยลดผลกระทบในเชิงสัดส่วน และช่วยเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (signal-to-noise ratio)

สัญญาณรบกวนจากความร้อนมีอยู่ในอุปกรณ์ทุกชนิดในวงจร ไม่ว่าจะเป็นอุปกรณ์แอคทีฟหรือพาสซีฟ อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรุนแรงขึ้น ซึ่งเพิ่มลักษณะสุ่มให้กับการเคลื่อนที่และแปรเปลี่ยนเป็นสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวนจากความร้อนมีลักษณะคล้ายกับสัญญาณรบกวนแบบช็อตตรงที่มีการกระจายความน่าจะเป็นแบบเกาส์เซียน

เทคนิคในการลดสัญญาณรบกวน

มีหลายเทคนิคที่สามารถนำมาใช้เพื่อลดสัญญาณรบกวน ได้แก่

การเลือกอุปกรณ์อย่างเหมาะสม: การเลือกใช้อุปกรณ์ที่มีค่าการรบกวนต่ำและมีภูมิคุ้มกันต่อสัญญาณรบกวนสูงเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบที่ไวต่อสัญญาณรบกวน ออปแอมป์ ตัวควบคุมแรงดัน และตัวต้านทานความแม่นยำสูง สามารถช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมาก ควรเลือกออปแอมป์ที่มีค่าความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนแรงดัน (nV/√Hz) และความหนาแน่นของสัญญาณรบกวนกระแส (pA/√Hz) ต่ำ

การเพิ่มวงจรบายพาสและการกรอง: ใช้ตัวเก็บประจุบายพาสที่ขาแหล่งจ่ายไฟของออปแอมป์เพื่อลดสัญญาณรบกวนความถี่สูงไม่ให้เข้าสู่แอมพลิไฟเออร์ นอกจากนี้ยังสามารถเพิ่มตัวกรองแบบพาสซีฟ (เช่น ตัวกรองความถี่ต่ำ) ที่อินพุตหรือเอาต์พุต เพื่อลดสัญญาณรบกวนในย่านความถี่ที่ไม่ต้องการ

การปรับปรุงการกราวด์และการจัดวางลายวงจร: เทคนิคการกราวด์และการจัดวางลายวงจรที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งในการลดการรับสัญญาณรบกวน ควรแยกระนาบกราวด์ของแอนะล็อกและดิจิทัล กำจัดกราวด์ลูป และจัดให้ลายวงจรที่มีกระแสสูงหรือก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนอยู่ห่างจากลายวงจรแอนะล็อกที่ไวต่อสัญญาณ

ด้วยการปรับปรุงเทคนิคการกราวด์ การเพิ่มวงจรบายพาสและการกรอง รวมถึงการเลือกใช้อุปกรณ์ที่เหมาะสม วิศวกรสามารถมั่นใจได้ว่าวงจรแอนะล็อกของตนจะให้ประสิทธิภาพที่ถูกต้องและเชื่อถือได้ แม้ต้องทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวนสูง