管理信号链噪声（I）：半导体噪声，可避免还是避不开？ 转换器, 半导体, 如何

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关键字：信号链   噪声   半导体噪声  
引言
《管理信号链噪声》系列文章分为三部分，本文为第一部分。这里，我们主要讨论所有IC中常见的半导体噪声特征，介绍器件数据手册如何给出这些参数，如何估算实际条件下数据手册未给出的电压基准噪声。我们在第二部分将讨论数据转换器特有的噪声源和失真，并介绍在其数据手册如何体现这些特性。第三部分对第一和第二部分进行了总结，向读者介绍如何优化噪声预算以及根据具体应用选择最合适的数据转换器。

电路设计发展到今天，理解电信号噪声比以往任何时候都重要。随着14位和16位数据转换器逐渐成为主流，18位和24位转换器也日益增多，噪声往往是限制系统性能的唯一因素。显而易见，理解IC内部所产生噪声的根源和特征是系统实现最高精度的关键。

人人都对噪声反感，但模拟设计工程师对其尤其感到头疼。一般而言，噪声是指信号链路中所有有害的电信号。根据来源的不同，噪声可分为外部(干扰)噪声和内部(固有)噪声，如下图(图1)信号链框图所示，所有内部噪声源(Vint)组合到信号链的输出端，所有外部噪声源(Vext)组合到信号链的输入端。



图1：信号链噪声。


对设计者来说，理解内部半导体噪声的来源和特征非常重要，包括热噪声、散粒噪声、雪崩噪声、闪烁噪声和跳跃噪声，以及数据转换器特有的噪声，例如量化噪声、孔径抖动和谐波失真。设计者也必须了解该噪声是可预防的还是不可避免的；如果能够预防，那么如何预防。

半导体器件内部噪声

所有电子元件本质上都会产生噪声，包括所有半导体器件和电阻。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读数据资料中的噪声指标。通过利用这些信息计算电压基准在其数据手册中未指定的条件下的输出噪声，从而得出结论。

噪声特性

下文中介绍半导体噪声的性质以及如何表述半导体器件的噪声。

噪声幅值

所有半导体噪声源都来自于随机过程，所以噪声的瞬时幅值是不可预测的，噪声幅值表现为高斯(正态)分布。



图2：高斯噪声分布。


注意，噪声的RMS值(Vn)为噪声分布的标准方差(σ)。随机噪声的RMS与峰值电压的关系为：




任何信号的峰-峰值与RMS电压之比(VnP-P/VnRMS)称为峰均比。式1中的6.6是常用的峰均比，这是因为，从概率上讲，高斯噪声源在0.10%时间内产生的峰峰电压是RMS电压的6.6倍；如图2所示噪声电压密度曲线下的阴影面积，超过±3.3σ的概率是0.001。有一点非常重要，相关信号线性相加，而随机信号(比如噪声)以方和根(RSS)的形式几何相加。

噪声谱密度

根据谱密度曲线形状的不同，半导体噪声源可分为两类：主要为高频成分的白噪声和主要为低频成分的粉红噪声。

白噪声的谱密度是均匀的(图3)，任何给定带宽区间的能量相等。



图3：白噪声谱密度。


粉红噪声在每十倍频程的能量相等，以功率谱密度表示(图4)，功率谱密度与频率成反比，所以也称为“1/f”噪声。



图4：粉红噪声谱密度。


图4中，Kv是比例常数，表示f = 1Hz时en的外推值，以双对数坐标表示。

半导体器件中的所有噪声均为白噪声和粉红噪声的组合，形成的噪声谱密度曲线如图5所示，图中采用双对数坐标。拐点频率(FC)为白噪声和粉红噪声之间的分界线。



图5：噪声谱密度。


任意给定带宽的噪声电压为噪声谱密度曲线下方、频率上限(Fh)和下限(Fl)之间的面积。数学上表示为：




简写为：




由此可知，噪声幅值指标必须根据频率范围进行规定。