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干货 | 带你了解五种常见的内部噪声

2018-10-17
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噪声重要与否,取决于它对目标电路工作的影响程度。


例如,一个开关电源在3 MHz时具有显著的输出电压纹波,如果它为之供电的电路仅有几Hz的带宽,如温度传感器等,则该纹波可能不会产生任何影响。但是,如果该开关电源为RF锁相环(PLL)供电,结果可能大不相同。


为了成功设计一个鲁棒的系统,了解噪声源至关重要。就低压差(LDO)调节器而言或者说任何电路,噪声源都可以分为两大类:内部噪声和外部噪声。内部噪声好比是您头脑中的噪声,外部噪声则好比是来自喷气式飞机的噪声。


今天我们只谈内部噪声。内部噪声有许多来源,各种噪声源都有自己独一无二的特性。内部噪声主要有以下几类:热噪声、1/f噪声、散粒噪声、爆裂或爆米花噪声。

热噪声,随机但有通式

在绝对零度以上的任何温度,导体或半导体中的载流子(电子和空穴)会发生扰动,这就是热噪声(亦称约翰逊噪声或白噪声)的来源。热噪声功率与温度成比例。它具有随机性,因而不随频率而变化。热噪声是一个物理过程,可以通过下式计算:


Vn = √(4kTRB)

k表示波尔兹曼常数(1.38−23 J/K)。 T表示绝对温度(K = 273°C)。 R表示电阻(单位Ω)。 B表示观察到噪声的带宽(单位Hz,电阻上测得的均方根电压也是进行测量的带宽的函数)

粉红浪漫?NO,这里只有1/f 噪声

1/f 噪声来源于半导体的表面缺陷,声功率与器件的偏置电流成正比,并且与频率成反比,这一点与热噪声不同。即使频率非常低,该反比特性也成立,然而,当频率高于数kHz时,关系曲线几乎是平坦的。1/f 噪声也称为粉红噪声,因为其权重在频谱的低端相对较高。


1/f 噪声主要取决于器件几何形状、器件类型和半导体材料,因此,要创建其数学模型极其困难,通常使用各种情况的经验测试来表征和预测1/f噪声。


一般而言,具有埋入结的器件,如双极性晶体管和JFET等,其1/f 噪声往往低于MOSFET等表面器件。

有势垒的地方的就有散粒噪声

散粒噪声发生在有势垒的地方,例如PN结中。半导体器件中的电流具有量子特性,电流不是连续的。当电荷载子、空穴和电子跨过势垒时,就会产生散粒噪声。像热噪声一样,散粒噪声也是随机的,不随频率而变化。

低频噪声——爆米花噪声

爆米花噪声是一种低频噪声,似乎与离子污染有关。爆米花噪声表现为电路的偏置电流或输出电压突然发生偏移,这种偏移持续的时间很短,然后偏置电流或输出电压又突然返回其原始状态。这种偏移是随机的,但似乎与偏置电流成正比,与频率的平方成反比(1/f2)。


爆裂噪声,几乎已被消除

爆裂噪声和爆米花噪声相同,也是一种低频噪声,似乎与离子污染有关。但由于现代半导体工艺技术的洁净度非常高,爆裂噪声几乎已经被消除,不再是器件噪声的一个主要因素。


图1显示了一个典型器件的噪声如何随频率而变化,以及各类噪声对总噪声的贡献。从1/f区到热区的跃迁点称为转折频率。


图1. 典型噪声功率与频率的关系


对于电子电路,内部噪声是指任何电子器件内部产生的噪声,外部噪声则是指从电路外部传到电路中的噪声。


图2. 显示内部和外部噪声源的简化LDO框图




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