噪声相关资料汇编

1 / 7 噪声相关资料 Comparing Intrinsic and Extrinsic Noise 内部噪声 外部噪声 一般 随机信号 已知信号 带宽 0 所有工频 确定的频谱 幅度 小 大 噪声计算 手算或者软件计算 容易 麦克斯韦尔电磁场 困难 低噪声设计 初始设计考虑 布局和原型阶段考虑 Grounding Filtering Balancing Shielding 限制干扰源发射比保护电路不 受干扰要划算 噪声免疫 模拟电路：敏感 数字电路：不敏感 2 / 7 Physical Noise Sources 器件噪声的物理机制 Thermal noise Diffusion noise Shot noise Quantum noise Generation- recombination Noise Flick noise 1/f noise Excess noise Popcorn noise Burst noise Avalanche noise 中文名称 热噪声 扩散噪声 散粒噪声 量子噪声 复合噪声 1/f 噪声 过量噪声 突发噪声 雪崩噪声 Origin 产生原因 自由电子的热 运动 由于碰撞引起 的载流子速度 变化 电荷载流子的 离散特性 电磁场辐射的 量化特性 载流子的产生 -复合；捕获- 释放 原因不明， 也出 现在非电子情 况下，可低至 10e-4Hz 物理原因不 明，可能和浅 沟，重掺杂的 发射结相关 反偏 PN 结碰 撞电离造成的 载流子增加 3 / 7 Thermal noise Diffusion noise Shot noise Quantum noise G-R Noise Flick noise Excess noise Popcorn noise Burst noise Avalanche noise Explanation 解释 电子在导体某 一端的暂时的 积累造成电势 差 载流子进行扩 散运动，扩散 过程中由于碰 撞使得扩散速 度发生改变 具有足够能量 的载流子通过 电势垒，这是 独立随机事件 检测器和环境 之间的能量交 换（通过随机 的光子数目） 具有波动性 电子-空穴对 的随机产生和 复合，这个过 程应该是平衡 的 缺陷造成的捕 获-释放过程 有重要作用 代表在非平衡 系统中一般出 现的情况 在电子系统中， 直流电流流过 不连续介质的 情况 出现在平面扩 散器件中 重金属原子的 污染/结附近 区域结晶损坏 对极少载流子 的单次捕捉过 程 通常出现在小 尺寸、 高场强、 大电流的情况 反偏下，少子 加速，碰撞中 性原子产生电 子-空穴对，进 而形成雪崩过 程 Comment 评论 热能量：所有 的能量 热自由度：可 以随机变化的 粒子的能量 存在于所有收 集电粒子的器 件中 粒子须具有弹 道特性，彼此 之间没有干扰 高场强，且低 粒子密度 否则散粒噪声 将被 smooth 海森堡测不准 原理 载流子密度的 波动造成电流 的波动 原因： a. 晶格缺陷 b. 载流子和 表面能态 之间的相 互作用 c. 有瑕疵的 接触（碳膜 电阻） -也称 为过量噪 声 RTS（Random Telegraph Signal noise） ： 干净的亚微米 器件产生的噪 声 Popcorn Noise：大尺 寸，低质量器 件产生的噪声 4 / 7 Thermal noise Diffusion noise Shot noise Quantum noise G-R Noise Flick noise Excess noise Popcorn noise Burst noise Avalanche noise Remark 注意 热噪声和电阻 两端电压无关 红外频率之上 需要考虑 3.34b 只考虑 多子，不准确 Model 模型公式 3.1 3.3 白噪声 3.16 基本是白噪声 3.20 白噪声 3.29，3.33 3.34b 3.34c 白噪声 3.35b 1/f，或者和频 率相关 3.38 1/f2 3.39，3.40（雪 崩击穿） 3.42（齐纳击 穿） 白噪声 Note 注解 公式只适用于 线性系统，热 平衡状态 高频下受量子 噪声决定 总噪声能量受 限（p48） 如果 einstein 关系式成立， 只有多子的运 动，扩散噪声 就是热噪声 宏观上，如果 器件满足欧姆 定律，噪声就 是热噪声；反 之则是扩散噪 声 和温度无关 直流电流越 大，散粒噪声 越偏小 因此二极管正 偏情况下，实 际噪声比公式 计算出来的结 果要小 略 5 / 7 Thermal noise Diffusion noise Shot noise Quantum noise G-R Noise Flick noise Popcorn noise Avalanche noi Property 特性 公式上限频 率 ：大约 6THz 瞬时热噪声幅 度满足高斯分 布 峰值系数约为 4 热噪声源于载 流子的随机热 运动 扩散噪声源于 载流子的随机 碰撞 截止频率为载 流子通过时间 的倒数 瞬时幅度满足 高斯分布 截止频率为复 合时间常数的 倒数 G-R 噪声是由 于载流子数目 波动引起的 热噪声是载流 子数目基本不 变的情况下， 载流子的空间 热运动引起的 瞬时噪声幅度 不是高斯分布 当电流由较少 载流子产生时， 1/f 噪声很明显 1/f 噪声随芯片 变化，变化越 大， 说明芯片的 可靠性越差 一秒几百次到 几分钟一次 持续时间为几 微秒到几分钟 频率为 1/f2 瞬时幅度是热 噪声的 2100 倍 多个样本中一 般只影响几 个，代表了质 量的好坏 噪声具有几个 间隔为 mv 的 能级。 初始时噪声电 压在几个能级 间随机切换 反向电流越来 越大后，最大 的能级起主导 作用 Importance 哪里重要 耗散系统中 V-I 特性不满 足欧姆定律的 器件 PN 结中， 电流 较小的情况下 10e15Hz 以上 才需要考虑 在一般注入浓 度下，G-R 噪 声不重要 主要在载流子 浓度较弱的情 况下 本征半导体 小注入半导体 PN 结空间电 荷区 一致性越好， 1/f 噪声越小 器件承受功率 越大，1/f 噪声 越小 集成电路中， 器 件越缩尺，1/f 噪声越大 不只限于低频 8V 以上 （雪崩 击穿）的反偏 二极管 6 / 7 Thermal noise Diffusion noise Shot noise Quantum noise G-R Noise Flick noise Popcorn noise Avalanche noi Conclusion 结论 More general than thermal noise 电流较小时散 粒噪声影响较 大 其他补充 注意对复数阻 抗热噪声的计 算方法（p49） 校正公式 （3.9-3.12） 几种情况： 非可逆网络： 要修改公式 分布式电路： 公式可用 非线性电路： 公式不可用 宽带示波器测 试，测试峰峰 值，除以 8 PN 结的噪声： a. 用扩散噪 声和 G-R 噪声共同 计算的方 法 b. 用散粒噪 声计算的 方法 c. 另一种计 算方法 MESFET 的噪 声（肖特基二 极管的噪声） 双极型晶体管， PNP