引言
管理信號鏈噪聲系列文章分為三部分，本文為第一部分。這里，我們主要討論所有IC中常見的半導(dǎo)體噪聲特征，介紹器件數(shù)據(jù)手冊如何給出這些參數(shù)，如何估算實(shí)際條件下數(shù)據(jù)手冊未給出的電壓基準(zhǔn)噪聲。我們在第二部分將討論數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器特有的噪聲源和失真，并介紹在其數(shù)據(jù)手冊如何體現(xiàn)這些特性。第三部分對第一和第二部分進(jìn)行了總結(jié)，向讀者介紹如何優(yōu)化噪聲預(yù)算以及根據(jù)具體應(yīng)用選擇最合適的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。
電路設(shè)計(jì)發(fā)展到今天，理解電信號噪聲比以往任何時候都重要。隨著14位和16位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器逐漸成為主流，18位和24位轉(zhuǎn)換器也日益增多，噪聲往往是限制系統(tǒng)性能的唯一因素。顯而易見，理解IC內(nèi)部所產(chǎn)生噪聲的根源和特征是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最高精度的關(guān)鍵。
人人都對噪聲反感，但模擬設(shè)計(jì)工程師對其尤其感到頭疼。一般而言，噪聲是指信號鏈路中所有有害的電信號。根據(jù)來源的不同，噪聲可分為外部(干擾)噪聲和內(nèi)部(固有)噪聲，如下圖(圖1)信號鏈框圖所示，所有內(nèi)部噪聲源(Vint)組合到信號鏈的輸出端，所有外部噪聲源(Vext)組合到信號鏈的輸入端。
圖1：信號鏈噪聲。
對設(shè)計(jì)者來說，理解內(nèi)部半導(dǎo)體噪聲的來源和特征非常重要，包括熱噪聲、散粒噪聲、雪崩噪聲、閃爍噪聲和跳躍噪聲，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器特有的噪聲，例如量化噪聲、孔徑抖動和諧波失真。設(shè)計(jì)者也必須了解該噪聲是可預(yù)防的還是不可避免的;如果能夠預(yù)防，那么如何預(yù)防。
半導(dǎo)體器件內(nèi)部噪聲
所有電子元件本質(zhì)上都會產(chǎn)生噪聲，包括所有半導(dǎo)體器件和電阻。我們首先討論噪聲的一般特性，然后討論常見噪聲源的類型和特征，接下來我們將學(xué)習(xí)如何查找和解讀數(shù)據(jù)資料中的噪聲指標(biāo)。通過利用這些信息計(jì)算電壓基準(zhǔn)在其數(shù)據(jù)手冊中未指定的條件下的輸出噪聲，從而得出結(jié)論。
噪聲特性
下文中介紹半導(dǎo)體噪聲的性質(zhì)以及如何表述半導(dǎo)體器件的噪聲。
噪聲幅值
所有半導(dǎo)體噪聲源都來自于隨機(jī)過程，所以噪聲的瞬時幅值是不可預(yù)測的，噪聲幅值表現(xiàn)為高斯(正態(tài))分布。
圖2：高斯噪聲分布。
注意，噪聲的RMS值(Vn)為噪聲分布的標(biāo)準(zhǔn)方差(σ)。隨機(jī)噪聲的RMS與峰值電壓的關(guān)系為：
任何信號的峰-峰值與RMS電壓之比(VnP-P/VnRMS)稱為峰均比。式1中的6.6是常用的峰均比，這是因?yàn)椋瑥母怕噬现v，高斯噪聲源在0.10%時間內(nèi)產(chǎn)生的峰峰電壓是RMS電壓的6.6倍;如圖2所示噪聲電壓密度曲線下的陰影面積，超過±3.3σ的概率是0.001。有一點(diǎn)非常重要，相關(guān)信號線性相加，而隨機(jī)信號(比如噪聲)以方和根(RSS)的形式幾何相加。
