【世說設計】粉紅還有爆米花,5大常見噪聲你弄懂沒?

2021-01-20 電子工程世界

例如,一個開關電源在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生任何影響。但是,如果該開關電源為RF鎖相環(PLL)供電,結果可能大不相同。

為了成功設計一個魯棒的系統,了解噪聲源至關重要。就低壓差(LDO)調節器而言或者說任何電路,噪聲源都可以分為兩大類:內部噪聲和外部噪聲。內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。

今天我們只談內部噪聲。內部噪聲有許多來源,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,導體或半導體中的載流子(電子和空穴)會發生擾動,這就是熱噪聲(亦稱詹森噪聲或白噪聲)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(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)

 

2粉紅浪漫?NO,這裡只有1/f 噪聲

1/f 噪聲來源於半導體的表面缺陷,聲功率與器件的偏置電流成正比,並且與頻率成反比,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,當頻率高於數kHz時,關係曲線幾乎是平坦的。1/f 噪聲也稱為粉紅噪聲,因為其權重在頻譜的低端相對較高。

1/f 噪聲主要取決於器件幾何形狀、器件類型和半導體材料,因此,要創建其數學模型極其困難,通常使用各種情況的經驗測試來表徵和預測1/f噪聲。

 

一般而言,具有埋入結的器件,如雙極性電晶體和JFET等,其1/f 噪聲往往低於MOSFET等表面器件。

 

3有勢壘的地方的就有散粒噪聲

散粒噪聲發生在有勢壘的地方,例如PN結中。半導體器件中的電流具有量子特性,電流不是連續的。當電荷載子、空穴和電子跨過勢壘時,就會產生散粒噪聲。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,似乎與離子汙染有關。爆米花噪聲表現為電路的偏置電流或輸出電壓突然發生偏移,這種偏移持續的時間很短,然後偏置電流或輸出電壓又突然返回其原始狀態。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,似乎與離子汙染有關。但由於現代半導體工藝技術的潔淨度非常高,爆裂噪聲幾乎已經被消除,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區到熱區的躍遷點稱為轉折頻率。


【圖1. 典型噪聲功率與頻率的關係】

 

對於電子電路,內部噪聲是指任何電子器件內部產生的噪聲,外部噪聲則是指從電路外部傳到電路中的噪聲。外部噪聲源遠多於內部噪聲源,到底都包括哪些呢?


【圖2. 顯示內部和外部噪聲源的簡化LDO框圖】

 


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    但是,如果該開關電源為RF鎖相環(PLL)供電,結果可能大不相同。為了成功設計一個魯棒的系統,了解噪聲源至關重要。就低壓差(LDO)調節器而言或者說任何電路,噪聲源都可以分為兩大類:內部噪聲和外部噪聲。
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