知識普及:電路中內部噪聲及外部噪聲源是?
發布時間:2016-10-19 責任編輯:sherry
【導讀】為了成功設計一個魯棒的係統,了解噪聲源至關重要。就低壓差(LDO)調節器而言或者說任何電路,噪聲源都可以分為兩大類:內部噪聲和外部噪聲。有誰懂得電路中常見的內部噪聲及外部噪聲源到底是怎樣的?
噪聲重要與否,取決於它對目標電路工作的影響程度。
例如,一個開關電源在3 MHz時具有顯著的輸出電壓紋波,如果它為之供電的電路僅有幾Hz的帶寬,如溫度傳感器等,則該紋波可能不會產生任何影響。但是,如果該開關電源為RF鎖相環(PLL)供電,結果可能大不相同。
為了成功設計一個魯棒的係統,了解噪聲源至關重要。就低壓差(LDO)調節器而言或者說任何電路,噪聲源都可以分為兩大類: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自噴氣式飛機的噪聲
對於電子電路,內部噪聲是指任何電子器件內部產生的噪聲,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化LDO框圖
內部噪聲有許多來源,各種噪聲源都有自己獨一無二的特性。內部噪聲主要有以下幾類:熱噪聲、1/f噪聲、散粒噪聲、爆裂或爆米花噪聲。圖2顯示了一個典型器件的噪聲如何隨頻率而變化,以及各類噪聲對總噪聲的貢獻。從1/f區到熱區的躍遷點稱為轉折頻率。

圖2. 典型噪聲功率與頻率的關係
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)會發生擾動,這就是熱噪聲(亦稱約翰遜噪聲或白噪聲)的來源。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。熱噪聲是一個物理過程,可以通過下式計算:
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表示觀察到噪聲的帶寬(單位Hz,電阻上測得的均方根電壓也是進行測量的帶寬的函數)
粉紅浪漫?NO,這裏隻有1/f 噪聲
1/f 噪zao聲sheng來lai源yuan於yu半ban導dao體ti的de表biao麵mian缺que陷xian,聲sheng功gong率lv與yu器qi件jian的de偏pian置zhi電dian流liu成cheng正zheng比bi,並bing且qie與yu頻pin率lv成cheng反fan比bi,這zhe一yi點dian與yu熱re噪zao聲sheng不bu同tong。即ji使shi頻pin率lv非fei常chang低di,該gai反fan比bi特te性xing也ye成cheng立li,然ran而er,當dang頻pin率lv高gao於yu數shukHz時,關係曲線幾乎是平坦的。1/f 噪聲也稱為粉紅噪聲,因為其權重在頻譜的低端相對較高。
1/f 噪聲主要取決於器件幾何形狀、器件類型和半導體材料,因此,要創建其數學模型極其困難,通常使用各種情況的經驗測試來表征和預測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 噪聲往往低於MOSFET等表麵器件。
有勢壘的地方的就有散粒噪聲
散粒噪聲發生在有勢壘的地方,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、空穴和電子跨過勢壘時,就會產生散粒噪聲。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(bao)米(mi)花(hua)噪(zao)聲(sheng)是(shi)一(yi)種(zhong)低(di)頻(pin)噪(zao)聲(sheng),似(si)乎(hu)與(yu)離(li)子(zi)汙(wu)染(ran)有(you)關(guan)。爆(bao)米(mi)花(hua)噪(zao)聲(sheng)表(biao)現(xian)為(wei)電(dian)路(lu)的(de)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)或(huo)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)突(tu)然(ran)發(fa)生(sheng)偏(pian)移(yi),這(zhe)種(zhong)偏(pian)移(yi)持(chi)續(xu)的(de)時(shi)間(jian)很(hen)短(duan),然(ran)後(hou)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)或(huo)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)又(you)突(tu)然(ran)返(fan)回(hui)其(qi)原(yuan)始(shi)狀(zhuang)態(tai)。這(zhe)種(zhong)偏(pian)移(yi)是(shi)隨(sui)機(ji)的(de),但(dan)似(si)乎(hu)與(yu)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)成(cheng)正(zheng)比(bi),與(yu)頻(pin)率(lv)的(de)平(ping)方(fang)成(cheng)反(fan)比(bi)(1/f2)。
爆裂噪聲,幾乎已被消除
爆bao裂lie噪zao聲sheng和he爆bao米mi花hua噪zao聲sheng相xiang同tong,也ye是shi一yi種zhong低di頻pin噪zao聲sheng,似si乎hu與yu離li子zi汙wu染ran有you關guan。但dan由you於yu現xian代dai半ban導dao體ti工gong藝yi技ji術shu的de潔jie淨jing度du非fei常chang高gao,爆bao裂lie噪zao聲sheng幾ji乎hu已yi經jing被bei消xiao除chu,不bu再zai是shi器qi件jian噪zao聲sheng的de一yi個ge主zhu要yao因yin素su。
外部噪聲外部噪聲源遠多於內部噪聲源,包括以下幾類:
• 耦合到敏感電路中的電磁場。
• 導致壓電材料產生幹擾交流電壓的機械衝擊或振動。
• 來自其他電路,通過電源或設計不佳的PCB布局布線傳導或輻射到電路中的噪聲。
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