所有IC中半导体噪声的特性 如何估算基准电压源的噪声

介绍

这是关于信号链噪声管理的三部分系列文章中的第一部分。在本文中，我们将重点介绍所有IC中半导体噪声的特性，解释器件数据手册中如何指定半导体噪声，并展示如何在数据手册中未指定的实际条件下估算基准电压源的噪声。在第2部分中，我们将重点介绍数据转换器特有的噪声源和失真，并说明这些数据手册中如何指定噪声和失真。我们总结的第3部分汇集了第1部分和第2部分，向读者展示了如何优化噪声预算，以及如何为其应用选择最合适的数据转换器。

了解电噪声在今天比以往任何时候都更加重要。随着14位和16位数据转换器成为主流，18位和24位转换器越来越多，噪声通常是限制系统性能的唯一因素。显然，了解IC内产生的噪声的来源和特性是实现系统尽可能高精度的关键。

噪声会激怒每个人，但对模拟设计工程师来说尤其烦人。一般来说，噪声是信号链中任何不受欢迎的电现象。根据其来源，它可以分为外部（干扰）或内部（固有）。下面的信号链图（图1）对此进行了说明。所有内部噪声源 （V国际） 已在输出端和所有外部噪声源 （V内线） 已在信号链的输入端进行组合。

图1.信号链中的噪声。

对于设计人员来说，了解这种内部半导体噪声的来源和特性非常重要。其中包括热噪声、散粒噪声、雪崩噪声、闪烁噪声和爆米花噪声，以及数据转换器特有的噪声，例如量化、孔径抖动和谐波失真。设计人员还必须知道如何或是否可以预防或避免这种噪声。

半导体器件中的噪声

所有电气元件本质上都会产生噪声。这包括所有半导体器件和电阻器。我们首先讨论噪声的一般特性，然后讨论常见噪声源的类型和特征。接下来，我们将学习如何查找和解释数据手册中的噪声规格。最后，我们使用所有这些信息来计算基准电压源在其数据手册中未指定的条件下的输出噪声。

噪声的性质

以下部分将探讨半导体噪声的性质以及如何在半导体器件中指定半导体噪声。

噪声幅度

所有半导体噪声源都起源于随机过程，因此噪声的瞬时幅度是不可预测的。振幅呈现高斯（正态）分布。

图2.高斯噪声分布。

注意噪声的均方根值（Vn） 是噪声分布的标准偏差 （σ）。RMS与随机噪声源的峰值电压之间的关系为：

VnP-P= 6.6 × V无功值

峰峰值与RMS电压之比（VnP-P/V无功值） 的任何信号称为波峰因数。公式6中的6.1是常用的波峰因数，其依据是，从统计学上讲，高斯噪声源产生的峰峰值电压是RMS电压6.6%的0.10倍。这是图2所示噪声电压密度曲线下的阴影区域，其中超过±3.3s的概率为0.001。重要的是要记住，相关信号是线性相加的，随机信号（如噪声）以和方根（RSS）方式以几何方式加法。

噪声频谱密度

半导体噪声源可以根据其光谱密度曲线的形状分为两类之一。白噪声在高频中占主导地位，粉红噪声在低频中占主导地位。

白噪声的特点是频谱密度均匀（图3），在任何给定带宽间隔内具有相同的能量。

图3.白噪声光谱密度。

粉红噪声每十年包含等量的能量。它的特点是功率谱密度（图4）与频率成反比，因此俗称“1/f”噪声。

图4.粉红噪声光谱密度。

在图 4 中，Kv是一个比例常数，表示 e 的外推值n在 f = 1Hz 时。它是在对数-对数刻度上绘制的。

半导体器件中的所有噪声都是白噪声和粉红噪声的组合，导致图5所示的噪声频谱密度曲线，绘制在对数-对数刻度上。转角频率（Fc） 是白噪声和粉红噪声之间的边界。

图5.噪声频谱密度。

任何带宽上存在的噪声电压是噪声频谱密度曲线平方下的面积，介于上限（Fh）和下部（F）之间l）频段的频率。在数学上，这写成：

简化：

可以看出，噪声幅度规格必须始终通过频率范围进行限定。

半导体噪声的类型

如上所述，半导体噪声源可以根据其光谱密度曲线的形状分为两类之一。这些类别是白噪声和粉红噪声。我们将仔细研究每种类型。

白噪声

白噪声的特征是在任何给定带宽中具有相同能量的均匀频谱密度。它存在于所有有源和无源设备中。它的名字来自光学，其中恒定振幅的广谱光呈白色。白噪声在示波器上具有独特的外观，如图6所示。

图6.示波器白噪声图像（1μs/格）。

半导体器件中白噪声的三个来源是热噪声、散粒噪声和雪崩噪声。

热噪声

热噪声，也称为约翰逊噪声，存在于所有无源电阻元件中，由电阻介质中电子的随机布朗运动引起。它随着温度和电阻的增加而增加，通常是高精度数据转换器中最大的半导体噪声单一来源。

所有无源电阻元件都会产生热噪声，无论是分立的还是集成的。热噪声随温度和电阻的增加而增加，并且热噪声水平不受直流电流的影响。电阻总是会产生噪声，即使是孤立的。

热噪声密度 （ND） 定义为：

ND = √4kRT nV/√hZ

其中 k 是玻尔兹曼常数，R 是以欧姆为单位的电阻，T 是以开尔文为单位的温度。

散粒噪声

散粒噪声，也称为肖特基噪声，每当电荷越过晶体管和二极管中发现的潜在势垒时，就会在有源器件中产生。产生这种噪声是因为流过结的电流不是平滑的，而是由随机时间到达的单个电子组成的。我们在宏观水平上看到的直流电流实际上是许多随机微观电流脉冲的总和。电流的这种随机变化使散粒噪声具有高斯白光谱密度。散粒噪声随电流增加。

散粒噪声密度 （ND） 定义为：

ND = √2qI na/√Hz

其中q是电荷，I是流过势垒的电流。

雪崩噪音

雪崩噪声存在于以反向击穿模式工作的PN结中，例如齐纳二极管。雪崩击穿期间产生的电流由流经反向偏置结的随机分布的噪声尖峰组成。与散粒噪声一样，雪崩噪声需要电流流动，但通常要强烈得多。

粉红噪声

粉红噪声的特征是频谱密度随频率降低而增加。它在每十年的带宽中包含相等的能量。这导致功率谱密度与频率成反比。粉红噪声得名于光学，其中以较低频率为主的光谱呈粉红色。它存在于所有有源和一些无源设备中。

半导体器件中的两种粉红噪声是闪烁和爆米花噪声。

闪烁噪声

闪烁噪声（也称为1/f噪声或接触噪声）是由于半导体材料缺陷引起的电流随机波动产生的过量噪声。它存在于所有类型的晶体管和某些类型的电阻器中。碳成分和扩散电阻器表现出闪烁噪声，因为它们是由半导体材料制成的。闪烁噪声始终与直流电流相关。

闪烁噪声密度 （ND） 定义为：

ND = K × I√1/f nA/√Hz

其中 K 是器件常数，I 是直流电流，f 是频率。

闪烁噪声是一类具有不同起源的噪声现象，例如：

在双极晶体管中，它是由与基极-发射极结中的污染和晶体缺陷相关的陷阱引起的。

在JFET中，它是由通道耗尽区域中陷阱处的载流子产生引起的。

在MOSFET中，表面缺陷是罪魁祸首。

闪烁噪声超过白噪声的频率称为转折频率（Fc).参见图 5。转折频率通常在 0.1Hz 和 1kHz 之间，并且会因源而异。所有闪烁噪声源都以RSS方式添加，并在半导体器件的输入或输出端显示为具有一个净噪声密度和转折频率的单个噪声源。

粉红噪声出现在示波器上，就像白噪声一样，带有额外的低频分量。粉红噪声的示例如下图 7 所示。

图7.闪烁噪声的示波器图像（1s/div，0.1Hz至10Hz带宽）。

爆米花噪音

爆米花噪声（也称为突发噪声）是由电荷载流子的捕获和发射引起的电流的低频调制。它在双极晶体管中最常见，其原因与半导体材料中的重金属离子污染有关。它的名字来源于通过扬声器播放时产生的“爆裂”声音。噪声在低于100Hz的速率下随机发生，具有离散幅度，持续时间在1ms到1s之间。

爆米花噪声密度 （ND） 随着频率的降低而增加。

其中 K 是器件常数，I 是直流电流，Fc是转角频率，f 是频率。

爆米花噪声在示波器上显示为较大的低频长持续时间电压步进。爆米花噪音的示例如下图 8 所示。

图8.爆米花噪声的示波器图像（0.4s/div）。

所有随机噪声源都以 RSS 方式添加;它们在IC的输入或输出端显示为具有一个净噪声密度和转折频率的单个噪声源。

如何读取数据手册中的噪声规格

器件噪声规格位于数据手册的电气特性（EC）表或典型工作特性（TOC）部分。需要注意的是：噪声是“典型”规格，因此不能保证。噪声规格仅用于合理估计其值。

时域规格

数据手册通常以指定带宽内的电压、峰峰值电压和/或伏特RMS来指定噪声。例如，图9显示了MAX6129_21基准电压源如何指定噪声电压。

图9.MAX6129_21基准电压源噪声规格，见数据手册。

列出的第一个噪声规格：30μVP-P，是闪烁或 1/f 噪声。可以通过条件列中的低频段（0.1Hz至10Hz）将其识别为闪烁噪声。请注意，它以μV为单位P-P（而不是μVRMS），因为该频段的噪声在直流应用中最受关注，其中峰值误差是主要关注点。

上述第二个噪声规格以μVRMS为单位给出。它是在10Hz至1kHz的更宽和更高的频段上测量的，其中白噪声占主导地位，1 / f噪声可以忽略不计。请注意，它以μVRMS（而不是μV）为单位P-P），因为在信噪比（SNR）是主要关注点的交流应用中，宽频带上的噪声最受关注。SNR测量中的噪声以RMS为单位给出。 ADC和DAC数据手册中的噪声电压规格与基准电压源数据手册中的噪声电压规格非常相似。

频域规格

噪声也可以根据其在指定光斑频率或附近的频谱密度（ND）来指定。例如，图10显示了MAX6126_21基准电压源的数据手册如何指定噪声密度。

图 10.MAX6126_21基准电压源噪声规格。

由于噪声密度总是随频率变化，因此它以特定频率指定，称为点频率。点频率在 EC 表的“条件”部分中指定。MAX6126在60kHz光斑频率下，噪声密度额定为1nV/√Hz。其他常见的点频率包括 10kHz、100kHz 和 1MHz。 任何频段的噪声电压都可以使用EC表中的频谱噪声密度（ND）以及上限（Fh）和下部（F）来估计l） 操作频率：

Vn= ND√（Fh， glV有效值

公式8不包括闪烁噪声，因此仅对远高于转折频率（Fl» Fc).

但是，如果噪声频谱密度（ND）和转折频率（Fc） 给出。这些规格可以在器件的EC表或数据手册TOC部分的噪声频谱密度随频率变化的图表中找到。

例如，MAX6143电压基准包含以下噪声频谱密度图（图11），见数据资料的TOC部分。

图 11.MAX6143噪声频谱密度图

估算EC表中未指定的噪声幅度

如果频谱噪声密度（ND）和转折频率（Fc）已知，则可以使用此处重复的公式1和公式3估算任何频段上的噪声电压：

VnP-P= 6.6 × V无功值

估计噪声电压需要四条信息：

ND，噪声频谱密度

Fc、转角频率

Fl、频段频率较低

Fh，频段的上限频率

ND 和 Fc通常可以在EC表或数据手册TOC部分的噪声频谱密度图中找到。以MAX6143电压基准为例。将估算音频带宽（20Hz至20kHz）上的闪烁噪声和输出噪声电压。电路如图12所示。

图 12.基准电压源电路。

使用噪声频谱密度图，Fc在对数对数刻度上绘制时，可以在 ND 线和 1/f 线的交点处找到。这些线在图 13 中为红色。

图 13.MAX6143噪声频谱密度图，ND和F值c线。

在这种情况下，ND 为 910nV/√Hz 和 Fc为 0.3Hz。

我们使用公式3，其值如下：ND = 910nV/√Hz，Fc= 0.3Hz， Fl= 0.1Hz，Fh = 10Hz。由此产生的噪声电压为3.06μVRMS。转换为 VP-P通过使用公式1，我们发现闪烁噪声为20.2μVP-P（图14）。

图 14.估算MAX6143的闪烁噪声

这些结果与18μV数据手册的值非常吻合P-P.

查找EC表中未指定的噪声电压

公式1和3可用于求出任何目标频带的输出噪声电压。例如，MAX6143输出端的噪声电压可以在F的音频频段上找到l= 20Hz 至 Fh= 20，000Hz。

使用参数值 ND = 910nV/√Hz， Fc= 0.3Hz， Fl= 20Hz 和 Fh= 20kHz，噪声电压计算为128μV有效值（图15）。

图 15.估算MAX6143音频带宽范围内的噪声电压

热噪声计算器

可以使用免费的计算器快速进行这些噪声计算。它可以下载。单击链接并选择热噪声计算器 （TNC）。TNC包括一份用户指南，其中包含计算器的使用说明，问题背后的理论和方程式，最重要的是，在电路设计和分析中使用计算器的实际示例。

TNC是为HP 50g计算器编写的程序，有助于分析电阻器和其他噪声源中的热噪声。该计算器可查找任何设备产生的噪声电压，前提是其白噪声频谱密度和 1/f 转折频率已知。可以输入或找到每个参数。TNC也可以使用 www.hpcalc.org 或我们的计算器页面的免费程序HPUserEdit 5.4在Windows PC上运行。®®

可以输入或找到本文中介绍的七个参数（图 16）：

噪声电压（Vn） 单位：μVP-P或 μV有效值

白噪声频谱密度 （ND），单位为 nV/√Hz

Ω中的约翰逊抵抗（R）

温度 （T） 以 °C 为单位

高频 （Fh），单位为 Hz

较低频率（Fl） 以赫兹为单位

1/f 转折频率 （Fc） 以赫兹为单位

图 16.热噪声计算器屏幕截图。

结论

所有半导体器件都会从内部源产生噪声。所有的噪音都是不受欢迎的，设计师必须知道如何或是否可以减少或消除噪音。在本文中，我们讨论了半导体噪声的特性，并解释了器件数据手册中如何指定半导体噪声。我们演示了如何在数据手册中未指定的实际条件下估算基准电压源的噪声。

在本系列关于信号链噪声管理的第2部分中，我们将重点介绍数据转换器特有的噪声和失真来源。我们还将在数据手册中展示如何指定这些噪声源。在第3部分中，我们将第1部分和第2部分放在一起，向读者展示如何优化噪声预算，并为其应用选择最合适的数据转换器。

审核编辑：郭婷