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粉紅還有爆米花,5大常見噪聲你弄懂沒?

發(fā)布時間:2019-12-09 來源:ADI 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】為了成功設(shè)計一個魯棒的系統(tǒng),了解噪聲源至關(guān)重要。就低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器而言或者說任何電路,噪聲源都可以分為兩大類:內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲好比是您頭腦中的噪聲,外部噪聲則好比是來自噴氣式飛機的噪聲。
 
噪聲重要與否,取決于它對目標電路工作的影響程度。
 
例如,一個開關(guān)電源在3 MHz時具有顯著的輸出電壓紋波,如果它為之供電的電路僅有幾Hz的帶寬,如溫度傳感器等,則該紋波可能不會產(chǎn)生任何影響。但是,如果該開關(guān)電源為RF鎖相環(huán)(PLL)供電,結(jié)果可能大不相同。
 
為了成功設(shè)計一個魯棒的系統(tǒng),了解噪聲源至關(guān)重要。就低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器而言或者說任何電路,噪聲源都可以分為兩大類:內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲好比是您頭腦中的噪聲,外部噪聲則好比是來自噴氣式飛機的噪聲。
 
今天我們只談內(nèi)部噪聲。內(nèi)部噪聲有許多來源,各種噪聲源都有自己獨一無二的特性。內(nèi)部噪聲主要有以下幾類:熱噪聲、1/f噪聲、散粒噪聲、爆裂或爆米花噪聲。
 
1 熱噪聲,隨機但有通式
 
在絕對零度以上的任何溫度,導(dǎo)體或半導(dǎo)體中的載流子(電子和空穴)會發(fā)生擾動,這就是熱噪聲(亦稱約翰遜噪聲或白噪聲)的來源。熱噪聲功率與溫度成比例。它具有隨機性,因而不隨頻率而變化。熱噪聲是一個物理過程,可以通過下式計算:
 
Vn = √(4kTRB)
 
k表示波爾茲曼常數(shù)(1.38−23 J/K)。T表示絕對溫度(K = 273°C)。R表示電阻(單位Ω)。B表示觀察到噪聲的帶寬(單位Hz,電阻上測得的均方根電壓也是進行測量的帶寬的函數(shù))
 
2 粉紅浪漫?NO,這里只有1/f 噪聲
 
1/f 噪聲來源于半導(dǎo)體的表面缺陷,聲功率與器件的偏置電流成正比,并且與頻率成反比,這一點與熱噪聲不同。即使頻率非常低,該反比特性也成立,然而,當頻率高于數(shù)kHz時,關(guān)系曲線幾乎是平坦的。1/f 噪聲也稱為粉紅噪聲,因為其權(quán)重在頻譜的低端相對較高。
 
1/f 噪聲主要取決于器件幾何形狀、器件類型和半導(dǎo)體材料,因此,要創(chuàng)建其數(shù)學(xué)模型極其困難,通常使用各種情況的經(jīng)驗測試來表征和預(yù)測1/f噪聲。
 
一般而言,具有埋入結(jié)的器件,如雙極性晶體管和JFET等,其1/f 噪聲往往低于MOSFET等表面器件。
 
3 有勢壘的地方的就有散粒噪聲
 
散粒噪聲發(fā)生在有勢壘的地方,例如PN結(jié)中。半導(dǎo)體器件中的電流具有量子特性,電流不是連續(xù)的。當電荷載子、空穴和電子跨過勢壘時,就會產(chǎn)生散粒噪聲。像熱噪聲一樣,散粒噪聲也是隨機的,不隨頻率而變化。
 
4 低頻噪聲——爆米花噪聲
 
爆米花噪聲是一種低頻噪聲,似乎與離子污染有關(guān)。爆米花噪聲表現(xiàn)為電路的偏置電流或輸出電壓突然發(fā)生偏移,這種偏移持續(xù)的時間很短,然后偏置電流或輸出電壓又突然返回其原始狀態(tài)。這種偏移是隨機的,但似乎與偏置電流成正比,與頻率的平方成反比(1/f2)。
 
5 爆裂噪聲,幾乎已被消除
 
爆裂噪聲和爆米花噪聲相同,也是一種低頻噪聲,似乎與離子污染有關(guān)。但由于現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝技術(shù)的潔凈度非常高,爆裂噪聲幾乎已經(jīng)被消除,不再是器件噪聲的一個主要因素。
 
圖1顯示了一個典型器件的噪聲如何隨頻率而變化,以及各類噪聲對總噪聲的貢獻。從1/f區(qū)到熱區(qū)的躍遷點稱為轉(zhuǎn)折頻率。
 
粉紅還有爆米花,5大常見噪聲你弄懂沒?
圖1. 典型噪聲功率與頻率的關(guān)系
 
對于電子電路,內(nèi)部噪聲是指任何電子器件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲,外部噪聲則是指從電路外部傳到電路中的噪聲。外部噪聲源遠多于內(nèi)部噪聲源,到底都包括哪些呢?歡迎各位筒子們在文末留言哈~規(guī)矩你們懂得~
 
粉紅還有爆米花,5大常見噪聲你弄懂沒?
圖2. 顯示內(nèi)部和外部噪聲源的簡化LDO框圖
 
 
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