電路中常見(jiàn)的內部噪聲及外部噪聲源

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

　　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(gè)開(kāi)關(guān)電源在3 MHz時(shí)具有顯著(zhù)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(huì )產(chǎn)生任何影響。但是，如果該開(kāi)關(guān)電源為RF鎖相環(huán)(PLL)供電，結果可能大不相同。

　　為了成功設計一個(gè)魯棒的系統，了解噪聲源至關(guān)重要。就低壓差(LDO)調節器而言或者說(shuō)任何電路，噪聲源都可以分為兩大類(lèi)：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(lái)自噴氣式飛機的噪聲

　　對于電子電路，內部噪聲是指任何電子器件內部產(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。

　　圖1. 顯示內部和外部噪聲源的簡(jiǎn)化LDO框圖

　　內部噪聲有許多來(lái)源，各種噪聲源都有自己獨一無(wú)二的特性。內部噪聲主要有以下幾類(lèi)：熱噪聲、1/f噪聲、散粒噪聲、爆裂或爆米花噪聲。圖2顯示了一個(gè)典型器件的噪聲如何隨頻率而變化，以及各類(lèi)噪聲對總噪聲的貢獻。從1/f區到熱區的躍遷點(diǎn)稱(chēng)為轉折頻率。

　　圖2. 典型噪聲功率與頻率的關(guān)系

　　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(huì )發(fā)生擾動(dòng)，這就是熱噪聲(亦稱(chēng)約翰遜噪聲或白噪聲)的來(lái)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(gè)物理過(guò)程，可以通過(guò)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(guān)察到噪聲的帶寬(單位Hz，電阻上測得的均方根電壓也是進(jìn)行測量的帶寬的函數)

　　粉紅浪漫?NO，這里只有1/f 噪聲

　　1/f 噪聲來(lái)源于半導體的表面缺陷，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(diǎn)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kHz時(shí)，關(guān)系曲線(xiàn)幾乎是平坦的。1/f 噪聲也稱(chēng)為粉紅噪聲，因為其權重在頻譜的低端相對較高。

　　1/f 噪聲主要取決于器件幾何形狀、器件類(lèi)型和半導體材料，因此，要創(chuàng )建其數學(xué)模型極其困難，通常使用各種情況的經(jīng)驗測試來(lái)表征和預測1/f噪聲。

　　一般而言，具有埋入結的器件，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。

　　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(guò)勢壘時(shí)，就會(huì )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。

　　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，這種偏移持續的時(shí)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)。

　　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)。但由于現代半導體工藝技術(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(gè)主要因素。

　　外部噪聲外部噪聲源遠多于內部噪聲源，包括以下幾類(lèi)：

　　• 耦合到敏感電路中的電磁場(chǎng)。

　　• 導致壓電材料產(chǎn)生干擾交流電壓的機械沖擊或振動(dòng)。

　　• 來(lái)自其他電路，通過(guò)電源或設計不佳的PCB布局布線(xiàn)傳導或輻射到電路中的噪聲。