介紹

這是關(guān)于信號(hào)鏈噪聲管理的三部分系列文章中的第一部分。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹所有IC中半導(dǎo)體噪聲的特性，解釋器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中如何指定半導(dǎo)體噪聲，并展示如何在數(shù)據(jù)手冊(cè)中未指定的實(shí)際條件下估算基準(zhǔn)電壓源的噪聲。在第2部分中，我們將重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器特有的噪聲源和失真，并說明這些數(shù)據(jù)手冊(cè)中如何指定噪聲和失真。我們總結(jié)的第3部分匯集了第1部分和第2部分，向讀者展示了如何優(yōu)化噪聲預(yù)算，以及如何為其應(yīng)用選擇最合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

了解電噪聲在今天比以往任何時(shí)候都更加重要。隨著14位和16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為主流，18位和24位轉(zhuǎn)換器越來越多，噪聲通常是限制系統(tǒng)性能的唯一因素。顯然，了解IC內(nèi)產(chǎn)生的噪聲的來源和特性是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)盡可能高精度的關(guān)鍵。

噪聲會(huì)激怒每個(gè)人，但對(duì)模擬設(shè)計(jì)工程師來說尤其煩人。一般來說，噪聲是信號(hào)鏈中任何不受歡迎的電現(xiàn)象。根據(jù)其來源，它可以分為外部（干擾）或內(nèi)部（固有）。下面的信號(hào)鏈圖（圖1）對(duì)此進(jìn)行了說明。所有內(nèi)部噪聲源 （V國(guó)際） 已在輸出端和所有外部噪聲源 （V內(nèi)線） 已在信號(hào)鏈的輸入端進(jìn)行組合。

圖1.信號(hào)鏈中的噪聲。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來說，了解這種內(nèi)部半導(dǎo)體噪聲的來源和特性非常重要。其中包括熱噪聲、散粒噪聲、雪崩噪聲、閃爍噪聲和爆米花噪聲，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器特有的噪聲，例如量化、孔徑抖動(dòng)和諧波失真。設(shè)計(jì)人員還必須知道如何或是否可以預(yù)防或避免這種噪聲。

半導(dǎo)體器件中的噪聲

所有電氣元件本質(zhì)上都會(huì)產(chǎn)生噪聲。這包括所有半導(dǎo)體器件和電阻器。我們首先討論噪聲的一般特性，然后討論常見噪聲源的類型和特征。接下來，我們將學(xué)習(xí)如何查找和解釋數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲規(guī)格。最后，我們使用所有這些信息來計(jì)算基準(zhǔn)電壓源在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中未指定的條件下的輸出噪聲。

噪聲的性質(zhì)

以下部分將探討半導(dǎo)體噪聲的性質(zhì)以及如何在半導(dǎo)體器件中指定半導(dǎo)體噪聲。

噪聲幅度

所有半導(dǎo)體噪聲源都起源于隨機(jī)過程，因此噪聲的瞬時(shí)幅度是不可預(yù)測(cè)的。振幅呈現(xiàn)高斯（正態(tài)）分布。

圖2.高斯噪聲分布。

注意噪聲的均方根值（Vn） 是噪聲分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差 （σ）。RMS與隨機(jī)噪聲源的峰值電壓之間的關(guān)系為：

VnP-P= 6.6 × V無功值

峰峰值與RMS電壓之比（VnP-P/V無功值） 的任何信號(hào)稱為波峰因數(shù)。公式6中的6.1是常用的波峰因數(shù)，其依據(jù)是，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上講，高斯噪聲源產(chǎn)生的峰峰值電壓是RMS電壓6.6%的0.10倍。這是圖2所示噪聲電壓密度曲線下的陰影區(qū)域，其中超過±3.3s的概率為0.001。重要的是要記住，相關(guān)信號(hào)是線性相加的，隨機(jī)信號(hào)（如噪聲）以和方根（RSS）方式以幾何方式加法。

噪聲頻譜密度

半導(dǎo)體噪聲源可以根據(jù)其光譜密度曲線的形狀分為兩類之一。白噪聲在高頻中占主導(dǎo)地位，粉紅噪聲在低頻中占主導(dǎo)地位。

白噪聲的特點(diǎn)是頻譜密度均勻（圖3），在任何給定帶寬間隔內(nèi)具有相同的能量。

圖3.白噪聲光譜密度。

粉紅噪聲每十年包含等量的能量。它的特點(diǎn)是功率譜密度（圖4）與頻率成反比，因此俗稱“1/f”噪聲。

圖4.粉紅噪聲光譜密度。

在圖 4 中，Kv是一個(gè)比例常數(shù)，表示 e 的外推值n在 f = 1Hz 時(shí)。它是在對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)刻度上繪制的。

半導(dǎo)體器件中的所有噪聲都是白噪聲和粉紅噪聲的組合，導(dǎo)致圖5所示的噪聲頻譜密度曲線，繪制在對(duì)數(shù)-對(duì)數(shù)刻度上。轉(zhuǎn)角頻率（Fc） 是白噪聲和粉紅噪聲之間的邊界。

圖5.噪聲頻譜密度。

任何帶寬上存在的噪聲電壓是噪聲頻譜密度曲線平方下的面積，介于上限（Fh）和下部（F）之間l）頻段的頻率。在數(shù)學(xué)上，這寫成：

簡(jiǎn)化：

可以看出，噪聲幅度規(guī)格必須始終通過頻率范圍進(jìn)行限定。

半導(dǎo)體噪聲的類型

如上所述，半導(dǎo)體噪聲源可以根據(jù)其光譜密度曲線的形狀分為兩類之一。這些類別是白噪聲和粉紅噪聲。我們將仔細(xì)研究每種類型。

白噪聲

白噪聲的特征是在任何給定帶寬中具有相同能量的均勻頻譜密度。它存在于所有有源和無源設(shè)備中。它的名字來自光學(xué)，其中恒定振幅的廣譜光呈白色。白噪聲在示波器上具有獨(dú)特的外觀，如圖6所示。

圖6.示波器白噪聲圖像（1μs/格）。

半導(dǎo)體器件中白噪聲的三個(gè)來源是熱噪聲、散粒噪聲和雪崩噪聲。

熱噪聲

熱噪聲，也稱為約翰遜噪聲，存在于所有無源電阻元件中，由電阻介質(zhì)中電子的隨機(jī)布朗運(yùn)動(dòng)引起。它隨著溫度和電阻的增加而增加，通常是高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中最大的半導(dǎo)體噪聲單一來源。

所有無源電阻元件都會(huì)產(chǎn)生熱噪聲，無論是分立的還是集成的。熱噪聲隨溫度和電阻的增加而增加，并且熱噪聲水平不受直流電流的影響。電阻總是會(huì)產(chǎn)生噪聲，即使是孤立的。

熱噪聲密度 （ND） 定義為：

ND = √4kRT nV/√hZ

其中 k 是玻爾茲曼常數(shù)，R 是以歐姆為單位的電阻，T 是以開爾文為單位的溫度。

散粒噪聲

散粒噪聲，也稱為肖特基噪聲，每當(dāng)電荷越過晶體管和二極管中發(fā)現(xiàn)的潛在勢(shì)壘時(shí)，就會(huì)在有源器件中產(chǎn)生。產(chǎn)生這種噪聲是因?yàn)榱鬟^結(jié)的電流不是平滑的，而是由隨機(jī)時(shí)間到達(dá)的單個(gè)電子組成的。我們?cè)诤暧^水平上看到的直流電流實(shí)際上是許多隨機(jī)微觀電流脈沖的總和。電流的這種隨機(jī)變化使散粒噪聲具有高斯白光譜密度。散粒噪聲隨電流增加。

散粒噪聲密度 （ND） 定義為：

ND = √2qI na/√Hz

其中q是電荷，I是流過勢(shì)壘的電流。

雪崩噪音

雪崩噪聲存在于以反向擊穿模式工作的PN結(jié)中，例如齊納二極管。雪崩擊穿期間產(chǎn)生的電流由流經(jīng)反向偏置結(jié)的隨機(jī)分布的噪聲尖峰組成。與散粒噪聲一樣，雪崩噪聲需要電流流動(dòng)，但通常要強(qiáng)烈得多。

粉紅噪聲

粉紅噪聲的特征是頻譜密度隨頻率降低而增加。它在每十年的帶寬中包含相等的能量。這導(dǎo)致功率譜密度與頻率成反比。粉紅噪聲得名于光學(xué)，其中以較低頻率為主的光譜呈粉紅色。它存在于所有有源和一些無源設(shè)備中。

半導(dǎo)體器件中的兩種粉紅噪聲是閃爍和爆米花噪聲。

閃爍噪聲

閃爍噪聲（也稱為1/f噪聲或接觸噪聲）是由于半導(dǎo)體材料缺陷引起的電流隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)生的過量噪聲。它存在于所有類型的晶體管和某些類型的電阻器中。碳成分和擴(kuò)散電阻器表現(xiàn)出閃爍噪聲，因?yàn)樗鼈兪怯砂雽?dǎo)體材料制成的。閃爍噪聲始終與直流電流相關(guān)。

閃爍噪聲密度 （ND） 定義為：

ND = K × I√1/f nA/√Hz

其中 K 是器件常數(shù)，I 是直流電流，f 是頻率。

閃爍噪聲是一類具有不同起源的噪聲現(xiàn)象，例如：

在雙極晶體管中，它是由與基極-發(fā)射極結(jié)中的污染和晶體缺陷相關(guān)的陷阱引起的。

在JFET中，它是由通道耗盡區(qū)域中陷阱處的載流子產(chǎn)生引起的。

在MOSFET中，表面缺陷是罪魁禍?zhǔn)住?/p>

閃爍噪聲超過白噪聲的頻率稱為轉(zhuǎn)折頻率（Fc).參見圖 5。轉(zhuǎn)折頻率通常在 0.1Hz 和 1kHz 之間，并且會(huì)因源而異。所有閃爍噪聲源都以RSS方式添加，并在半導(dǎo)體器件的輸入或輸出端顯示為具有一個(gè)凈噪聲密度和轉(zhuǎn)折頻率的單個(gè)噪聲源。

粉紅噪聲出現(xiàn)在示波器上，就像白噪聲一樣，帶有額外的低頻分量。粉紅噪聲的示例如下圖 7 所示。

圖7.閃爍噪聲的示波器圖像（1s/div，0.1Hz至10Hz帶寬）。

爆米花噪音

爆米花噪聲（也稱為突發(fā)噪聲）是由電荷載流子的捕獲和發(fā)射引起的電流的低頻調(diào)制。它在雙極晶體管中最常見，其原因與半導(dǎo)體材料中的重金屬離子污染有關(guān)。它的名字來源于通過揚(yáng)聲器播放時(shí)產(chǎn)生的“爆裂”聲音。噪聲在低于100Hz的速率下隨機(jī)發(fā)生，具有離散幅度，持續(xù)時(shí)間在1ms到1s之間。

爆米花噪聲密度 （ND） 隨著頻率的降低而增加。

其中 K 是器件常數(shù)，I 是直流電流，F(xiàn)c是轉(zhuǎn)角頻率，f 是頻率。

爆米花噪聲在示波器上顯示為較大的低頻長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間電壓步進(jìn)。爆米花噪音的示例如下圖 8 所示。

圖8.爆米花噪聲的示波器圖像（0.4s/div）。

所有隨機(jī)噪聲源都以 RSS 方式添加;它們?cè)贗C的輸入或輸出端顯示為具有一個(gè)凈噪聲密度和轉(zhuǎn)折頻率的單個(gè)噪聲源。

如何讀取數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲規(guī)格

器件噪聲規(guī)格位于數(shù)據(jù)手冊(cè)的電氣特性（EC）表或典型工作特性（TOC）部分。需要注意的是：噪聲是“典型”規(guī)格，因此不能保證。噪聲規(guī)格僅用于合理估計(jì)其值。

時(shí)域規(guī)格

數(shù)據(jù)手冊(cè)通常以指定帶寬內(nèi)的電壓、峰峰值電壓和/或伏特RMS來指定噪聲。例如，圖9顯示了MAX6129_21基準(zhǔn)電壓源如何指定噪聲電壓。

圖9.MAX6129_21基準(zhǔn)電壓源噪聲規(guī)格，見數(shù)據(jù)手冊(cè)。

列出的第一個(gè)噪聲規(guī)格：30μVP-P，是閃爍或 1/f 噪聲。可以通過條件列中的低頻段（0.1Hz至10Hz）將其識(shí)別為閃爍噪聲。請(qǐng)注意，它以μV為單位P-P（而不是μVRMS），因?yàn)樵擃l段的噪聲在直流應(yīng)用中最受關(guān)注，其中峰值誤差是主要關(guān)注點(diǎn)。

上述第二個(gè)噪聲規(guī)格以μVRMS為單位給出。它是在10Hz至1kHz的更寬和更高的頻段上測(cè)量的，其中白噪聲占主導(dǎo)地位，1 / f噪聲可以忽略不計(jì)。請(qǐng)注意，它以μVRMS（而不是μV）為單位P-P），因?yàn)樵谛旁氡龋⊿NR）是主要關(guān)注點(diǎn)的交流應(yīng)用中，寬頻帶上的噪聲最受關(guān)注。SNR測(cè)量中的噪聲以RMS為單位給出。 ADC和DAC數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲電壓規(guī)格與基準(zhǔn)電壓源數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲電壓規(guī)格非常相似。

頻域規(guī)格

噪聲也可以根據(jù)其在指定光斑頻率或附近的頻譜密度（ND）來指定。例如，圖10顯示了MAX6126_21基準(zhǔn)電壓源的數(shù)據(jù)手冊(cè)如何指定噪聲密度。

圖 10.MAX6126_21基準(zhǔn)電壓源噪聲規(guī)格。

由于噪聲密度總是隨頻率變化，因此它以特定頻率指定，稱為點(diǎn)頻率。點(diǎn)頻率在 EC 表的“條件”部分中指定。MAX6126在60kHz光斑頻率下，噪聲密度額定為1nV/√Hz。其他常見的點(diǎn)頻率包括 10kHz、100kHz 和 1MHz。 任何頻段的噪聲電壓都可以使用EC表中的頻譜噪聲密度（ND）以及上限（Fh）和下部（F）來估計(jì)l） 操作頻率：

Vn= ND√（Fh， glV有效值

公式8不包括閃爍噪聲，因此僅對(duì)遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)折頻率（Fl? Fc).

但是，如果噪聲頻譜密度（ND）和轉(zhuǎn)折頻率（Fc） 給出。這些規(guī)格可以在器件的EC表或數(shù)據(jù)手冊(cè)TOC部分的噪聲頻譜密度隨頻率變化的圖表中找到。

例如，MAX6143電壓基準(zhǔn)包含以下噪聲頻譜密度圖（圖11），見數(shù)據(jù)資料的TOC部分。

圖 11.MAX6143噪聲頻譜密度圖

估算EC表中未指定的噪聲幅度

如果頻譜噪聲密度（ND）和轉(zhuǎn)折頻率（Fc）已知，則可以使用此處重復(fù)的公式1和公式3估算任何頻段上的噪聲電壓：

VnP-P= 6.6 × V無功值

估計(jì)噪聲電壓需要四條信息：

ND，噪聲頻譜密度

Fc、轉(zhuǎn)角頻率

Fl、頻段頻率較低

Fh，頻段的上限頻率

ND 和 Fc通常可以在EC表或數(shù)據(jù)手冊(cè)TOC部分的噪聲頻譜密度圖中找到。以MAX6143電壓基準(zhǔn)為例。將估算音頻帶寬（20Hz至20kHz）上的閃爍噪聲和輸出噪聲電壓。電路如圖12所示。

圖 12.基準(zhǔn)電壓源電路。

使用噪聲頻譜密度圖，F(xiàn)c在對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)刻度上繪制時(shí)，可以在 ND 線和 1/f 線的交點(diǎn)處找到。這些線在圖 13 中為紅色。

圖 13.MAX6143噪聲頻譜密度圖，ND和F值c線。

在這種情況下，ND 為 910nV/√Hz 和 Fc為 0.3Hz。

我們使用公式3，其值如下：ND = 910nV/√Hz，F(xiàn)c= 0.3Hz， Fl= 0.1Hz，F(xiàn)h = 10Hz。由此產(chǎn)生的噪聲電壓為3.06μVRMS。轉(zhuǎn)換為 VP-P通過使用公式1，我們發(fā)現(xiàn)閃爍噪聲為20.2μVP-P（圖14）。

圖 14.估算MAX6143的閃爍噪聲

這些結(jié)果與18μV數(shù)據(jù)手冊(cè)的值非常吻合P-P.

查找EC表中未指定的噪聲電壓

公式1和3可用于求出任何目標(biāo)頻帶的輸出噪聲電壓。例如，MAX6143輸出端的噪聲電壓可以在F的音頻頻段上找到l= 20Hz 至 Fh= 20，000Hz。

使用參數(shù)值 ND = 910nV/√Hz， Fc= 0.3Hz， Fl= 20Hz 和 Fh= 20kHz，噪聲電壓計(jì)算為128μV有效值（圖15）。

圖 15.估算MAX6143音頻帶寬范圍內(nèi)的噪聲電壓

熱噪聲計(jì)算器

可以使用免費(fèi)的計(jì)算器快速進(jìn)行這些噪聲計(jì)算。它可以下載。單擊鏈接并選擇熱噪聲計(jì)算器 （TNC）。TNC包括一份用戶指南，其中包含計(jì)算器的使用說明，問題背后的理論和方程式，最重要的是，在電路設(shè)計(jì)和分析中使用計(jì)算器的實(shí)際示例。

TNC是為HP 50g計(jì)算器編寫的程序，有助于分析電阻器和其他噪聲源中的熱噪聲。該計(jì)算器可查找任何設(shè)備產(chǎn)生的噪聲電壓，前提是其白噪聲頻譜密度和 1/f 轉(zhuǎn)折頻率已知?？梢暂斎牖蛘业矫總€(gè)參數(shù)。TNC也可以使用 www.hpcalc.org 或我們的計(jì)算器頁(yè)面的免費(fèi)程序HPUserEdit 5.4在Windows PC上運(yùn)行。??

可以輸入或找到本文中介紹的七個(gè)參數(shù)（圖 16）：

噪聲電壓（Vn） 單位：μVP-P或 μV有效值

白噪聲頻譜密度 （ND），單位為 nV/√Hz

Ω中的約翰遜抵抗（R）

溫度 （T） 以 °C 為單位

高頻 （Fh），單位為 Hz

較低頻率（Fl） 以赫茲為單位

1/f 轉(zhuǎn)折頻率 （Fc） 以赫茲為單位

圖 16.熱噪聲計(jì)算器屏幕截圖。

結(jié)論

所有半導(dǎo)體器件都會(huì)從內(nèi)部源產(chǎn)生噪聲。所有的噪音都是不受歡迎的，設(shè)計(jì)師必須知道如何或是否可以減少或消除噪音。在本文中，我們討論了半導(dǎo)體噪聲的特性，并解釋了器件數(shù)據(jù)手冊(cè)中如何指定半導(dǎo)體噪聲。我們演示了如何在數(shù)據(jù)手冊(cè)中未指定的實(shí)際條件下估算基準(zhǔn)電壓源的噪聲。

在本系列關(guān)于信號(hào)鏈噪聲管理的第2部分中，我們將重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器特有的噪聲和失真來源。我們還將在數(shù)據(jù)手冊(cè)中展示如何指定這些噪聲源。在第3部分中，我們將第1部分和第2部分放在一起，向讀者展示如何優(yōu)化噪聲預(yù)算，并為其應(yīng)用選擇最合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

審核編輯：郭婷