實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)分析儀 PCB 低噪聲設(shè)計(jì)
來源：捷配
時(shí)間: 2025/10/29 09:43:48
閱讀: 237
一、引言
實(shí)驗(yàn)室電化學(xué)分析儀（如離子色譜儀、伏安極譜儀）需檢測納安級微弱電流、微伏級電位信號，PCB 噪聲會直接導(dǎo)致測量誤差超 5%，無法滿足痕量分析需求（如 ppb 級離子檢測）。據(jù) IPC-9701 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)，未做低噪聲設(shè)計(jì)的電化學(xué) PCB，電源噪聲普遍達(dá) 50μV 以上，接地噪聲超 30μV，遠(yuǎn)高于儀器要求的 10μV 閾值。捷配作為實(shí)驗(yàn)室儀器 PCB 專業(yè)服務(wù)商（服務(wù) 200 + 儀器廠商），通過接地優(yōu)化、電源濾波、基材選型的全流程設(shè)計(jì)，已實(shí)現(xiàn)電化學(xué) PCB 噪聲降至 8μV，測量精度達(dá) 0.1μV。本文從噪聲根源出發(fā)，提供可落地的低噪聲方案，助力儀器廠商解決痕量檢測誤差難題。
二、核心技術(shù)解析：電化學(xué) PCB 噪聲根源
電化學(xué)分析儀 PCB 噪聲主要源于三個(gè)維度，直接影響微弱信號采集：
- 接地環(huán)路噪聲：傳統(tǒng)星形接地設(shè)計(jì)不規(guī)范，信號地、電源地、屏蔽地共用接地節(jié)點(diǎn)，形成＞10cm 的接地環(huán)路，在實(shí)驗(yàn)室 50Hz 工頻磁場下感應(yīng)噪聲達(dá) 25μV（參考 GB/T 18268.1-2010 標(biāo)準(zhǔn)）。捷配測試數(shù)據(jù)顯示，接地環(huán)路導(dǎo)致的噪聲占總噪聲的 45%，是痕量檢測誤差的主因。
- 電源紋波噪聲：電化學(xué)模塊常用 3.3V 低壓供電，線性穩(wěn)壓器（LDO）紋波抑制比（PSRR）不足 60dB@1kHz 時(shí)，電源紋波會耦合至信號鏈路，產(chǎn)生 15~20μV 噪聲。根據(jù)儀器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，供電紋波需≤5μV，傳統(tǒng) LDO 方案難以滿足。
- 基材介電噪聲：普通 FR-4 基材（損耗因子 0.02@1kHz）在高頻微弱信號傳輸中，介電損耗會產(chǎn)生熱噪聲，尤其在濕度＞60% 環(huán)境下，噪聲增幅超 30%。電化學(xué)分析儀需長期穩(wěn)定運(yùn)行，基材介電性能穩(wěn)定性至關(guān)重要。
三、實(shí)操方案：捷配電化學(xué) PCB 低噪聲設(shè)計(jì)步驟
3.1 接地系統(tǒng)優(yōu)化
- 操作要點(diǎn)：采用 “三層獨(dú)立接地” 設(shè)計(jì)：① 信號地（AGND）：所有信號采集電路（如運(yùn)算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器）單點(diǎn)接地，接地節(jié)點(diǎn)間距≤5cm，避免環(huán)路；② 電源地（PGND）：LDO、電源濾波電路單獨(dú)接地，通過 100Ω 磁珠與信號地連接，抑制電源噪聲耦合；③ 屏蔽地（SGND）：金屬外殼與 PCB 屏蔽層單獨(dú)接地，通過 2.2nF 電容（X7R 材質(zhì)）單點(diǎn)接大地，減少電磁感應(yīng)。
- 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：接地電阻≤0.1Ω（測試方法參考 IPC-TM-650 2.5.17），接地環(huán)路面積≤1cm²，工頻噪聲降至 8μV 以下。
- 工具 / 材料：捷配接地設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)（含阻抗測試儀、噪聲分析儀），可實(shí)時(shí)測量各接地節(jié)點(diǎn)噪聲，生成優(yōu)化報(bào)告。
3.2 電源濾波設(shè)計(jì)
- 操作要點(diǎn)：① 供電鏈路：選用 TI TPS7A4700 LDO（PSRR=80dB@1kHz），輸入側(cè)并聯(lián) 10μF 鉭電容（AVX TAJB 系列）+ 0.1μF 陶瓷電容（Murata GRM 系列），輸出側(cè)并聯(lián) 1μF 鉭電容，抑制高頻紋波；② 信號濾波：在運(yùn)算放大器（如 ADI AD8628）電源引腳串聯(lián) 22Ω 電阻 + 100nF 電容，形成 π 型濾波，進(jìn)一步降低電源噪聲耦合。
- 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：電源紋波≤3μV@1kHz，PSRR≥75dB，信號鏈路噪聲降至 5μV 以下。
- 工具 / 材料：捷配電源紋波測試系統(tǒng)（Agilent DSOX1204G 示波器，分辨率 1μV），每塊 PCB 出廠前進(jìn)行紋波檢測，確保合規(guī)。
3.3 低噪聲基材選型與布局
- 操作要點(diǎn)：① 基材選用生益 S1130（損耗因子 0.008@1kHz，介電常數(shù) 4.3±0.2），降低介電噪聲；② 布局規(guī)則：信號采集電路遠(yuǎn)離電源電路（間距≥10mm），A/D 轉(zhuǎn)換器（如 ADI ADS1248）下方禁止布置電源走線，高頻信號走線（＞1MHz）采用阻抗匹配（50Ω），減少反射噪聲。
- 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：基材介電常數(shù)溫度漂移≤±0.02（-20~60℃），信號鏈路噪聲≤8μV，濕度 60% 環(huán)境下噪聲增幅≤10%。
- 工具 / 材料：捷配基材介電性能測試系統(tǒng)（Keysight E4980A LCR 表），可檢測基材在不同溫濕度下的介電參數(shù)，確保穩(wěn)定性。
四、案例驗(yàn)證：某離子色譜儀 PCB 噪聲優(yōu)化
4.1 初始狀態(tài)
某廠商離子色譜儀 PCB（檢測范圍 0.1~100ppb 離子），采用傳統(tǒng)接地與電源方案，實(shí)測噪聲達(dá) 42μV，測量誤差超 8%，無法滿足 ppb 級痕量檢測需求；濕度 60% 時(shí)噪聲升至 55μV，儀器穩(wěn)定性大幅下降，客戶投訴率超 15%。
4.2 整改措施
采用捷配低噪聲方案：① 接地優(yōu)化為三層獨(dú)立接地，信號地單點(diǎn)間距 3cm；② 電源更換為 TPS7A4700 LDO，增加 π 型濾波；③ 基材更換為生益 S1130，重新布局（信號與電源間距 12mm）；④ 捷配提供噪聲仿真服務(wù)，提前預(yù)判干擾風(fēng)險(xiǎn)。
4.3 效果數(shù)據(jù)
優(yōu)化后，該離子色譜儀 PCB 噪聲從 42μV 降至 7.8μV，測量精度達(dá) 0.1μV，誤差控制在 2% 以內(nèi)；濕度 60% 時(shí)噪聲僅升至 8.5μV，穩(wěn)定性提升 80%；客戶投訴率降至 1.2%，產(chǎn)品通過 GB/T 18268.1-2010 認(rèn)證；捷配專項(xiàng)產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)批量交付，周期從 18 天縮短至 12 天，成本降低 18%。
電化學(xué)分析儀 PCB 低噪聲設(shè)計(jì)的核心是 “接地隔離 + 電源凈化 + 基材穩(wěn)定”，捷配通過定制化設(shè)計(jì)、噪聲仿真、全流程測試，可實(shí)現(xiàn)儀器精度與穩(wěn)定性的雙重提升。后續(xù)建議關(guān)注超痕量檢測（ppt 級）PCB 設(shè)計(jì)，此類需求需采用羅杰斯 RO4350B 基材（損耗因子 0.0037@1kHz），捷配已推出超低噪聲方案，支持噪聲≤5μV。此外，捷配提供實(shí)驗(yàn)室儀器 PCB 可靠性測試服務(wù)（如溫濕度循環(huán)、長期穩(wěn)定性測試），助力廠商縮短產(chǎn)品驗(yàn)證周期。
微信公眾號
微信小程序
抖音視頻號
浙公網(wǎng)安備 33010502006866號