噪聲與低噪聲設(shè)計的探討(上篇)

 

這是一篇由兩部分組成的連載文章的第一部分，介紹了一些基本概念，以便于你著手考慮低噪聲設(shè)計。

　　要點
　　●  要將器件噪聲、失真和干擾信號區(qū)分開來。它們各有自己的來源、預(yù)防措施和補救措施。
　　●  有源器件和電阻器都有多種噪聲分布。要使自己熟悉各種噪聲源，以及引起噪聲的電路運行參數(shù)。
　　●  在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，信號的源阻抗可以確定評估噪聲幅度的背景。
　　●  如果把一些可以換算的數(shù)值記憶在腦海里，你就可以隨手對熱噪聲進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的估算。
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　　噪聲是許多信號處理系統(tǒng)的基本制約因素。同樣，它是許多電子設(shè)計，特別是接口電路的主要制約條件。在測試與測量、醫(yī)學(xué)成像和高速數(shù)據(jù)通信等方面的行業(yè)趨向都需要越來越高的信息密度。與此同時，半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步能實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)處理速度和功能密度，但卻要降低工作電源電壓，由此降低信號幅度。結(jié)果是，加大了系統(tǒng)設(shè)計對模擬前端噪聲性能進(jìn)行管理的壓力。
　　系統(tǒng)地探討像噪聲這樣繁雜的課題是件難辦的事情，而且不是幾頁篇幅就可以說得清楚的。EDN 為了努力擴展這一討論的范圍，請幾家在低噪聲器件和電路設(shè)計方面具備專業(yè)知識的半導(dǎo)體制造廠提供相互關(guān)聯(lián)的應(yīng)用說明和技術(shù)文章。這些資源都能在 EDN 網(wǎng)站的模擬技術(shù)資源部分找到。這些相關(guān)信息的集合就可以作為進(jìn)一步了解這一課題的動態(tài)信息來源。
　　如果你自己對這一課題進(jìn)行研究，那你就會發(fā)現(xiàn)，許多文獻(xiàn)資料把所有不需要的信號（來自外部的和存在于電路內(nèi)部的）都?xì)w入噪聲這一大類。但是設(shè)計師對外部和內(nèi)部這類噪聲采取的預(yù)防和補救措施則是大不相同的。你不能忽視任何一類噪聲，但本文著重討論信號路徑內(nèi)部的噪聲源。也就是說，良好的低噪聲系統(tǒng)設(shè)計需要充分考慮電路工作環(huán)境內(nèi)的干擾。（見附文《外部因素》）。
　　隨機事件，可預(yù)測的形狀
　　電子元件通過不同的噪聲源機制產(chǎn)生三種噪聲譜的組合。各個噪聲源項分別表示平帶噪聲、1/f 噪聲或1/f2 噪聲：
 
　　式中， pn(f) 是噪聲源的功率譜密度——即中心頻率為 f 的 1Hz 帶寬的平均功率，c 是恒定幅度（參考文獻(xiàn) 1）。
　　為了不與噪聲譜的形狀相混淆，給出的功率譜密度是一個單位為瓦/赫的函數(shù)，從而可以通過求某個帶寬內(nèi)的密度積分，計算出某一頻帶內(nèi)的 rms 噪聲功率：
　　然而，大多數(shù)有源電路都是將信號作為電流或電壓來處理的。例如，雙極晶體管是跨導(dǎo)器件：它產(chǎn)生的輸出信號電流是與輸入信號電壓相對應(yīng)的。為了能對信號和噪聲進(jìn)行快速比較，一般都用每根赫的電壓或每根赫的電流來表示噪聲譜密度。
　　在產(chǎn)生這三種常見噪聲譜的機制中，最常見的機制產(chǎn)生平帶（Flatband）噪聲，也稱白噪聲，因為噪聲功率是均勻地分配在整個頻譜范圍內(nèi)，就像白光均勻分布在可見光譜范圍內(nèi)一樣。平帶噪聲源產(chǎn)生散粒噪聲（或叫肖特基噪聲）和熱噪聲（也稱約翰遜噪聲，為的是紀(jì)念物理學(xué)家 John Bertrand Johnson 于 1928 年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象）。雖然這兩種噪聲的頻譜是難以區(qū)分的，但作為電路工作條件的函數(shù)，散粒噪聲源和約翰遜噪聲源的行為則是不同的。
　　散粒噪聲無處不在
　　散粒噪聲是由電子通過一個勢壘的離散量子性質(zhì)產(chǎn)生的。它通常與二極管和雙極晶體管有關(guān)。電流可以按直流電大小給定的穩(wěn)定平均速率通過一個PN結(jié)，但各個載流子只有當(dāng)它們具有足夠能量來克服PN結(jié)勢壘時，才能作為隨機事件穿過PN結(jié)（參考文獻(xiàn) 2）。在極限情況下，電流被量子化為電子能級，所以平均電流就包含大量的離散事件。
　　散粒噪聲計算公式如下：
　　其單位是安培均方根值，式中 q 為電子電荷(1.6