一文带你了解噪声

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噪声对于射频工程师来说应该是再熟悉不过了,射频噪声本质上为高频率的电子噪声,广泛存在于射频链路的各个环节内,在器件、电路和系统等通信系统的各个层次中均有体现。对于实验的影响还是挺大的,所以我们经常能见到在电路中想各种办法降低噪声的干扰,今天我们就一起来分析器件的噪声性能,通过电压源和电流源等熟悉的元件对器件的噪声进行建模。
 
电阻的热噪声
 
环境热能导致电阻中的电荷载流子随机运动,从而产生噪声。
 
这个噪声可以通过一个级联电压源,或者并联的电流源来模拟。电压源和电流源的功率谱密度(PSD,power spectral density), 如下图所示。模型有时候可以简化分析,电压源和电流源的极性并不重要,但是在给定电路的计算中,需要保持一致。
 
噪声
 
那么,如果电阻将环境热量转换为噪声电压或电流,我们能否从电阻中提取能量呢?
 
有趣的是,如果R1和R2处于同样的环境温度,它们之间没有净流量传递,因为R2同样会产生同样的噪声电压。但是,如果R2的环境温度T=0K ,那么R1会持续地从它的环境中吸收能量,把它转换为噪声,然后把能量传输给R2.传递给R2的平均能量为:
 
噪声
 
对于一个热噪声噪声密度为4KTR1的电路来说,它不需要一定要包含电阻R1.
如果无源电路耗散能量,那么它一定包含一个物理电阻,因此一定会产生热噪声。我们可以笼统的说,有耗电路就有噪声。
 
比如:如果一个无源(互易)网络的两个端口之间的阻抗的实部等于Re{Zout}, 如下图所示,那么这两个端口间热噪声的PSD为:
 
噪声
噪声
 
这个理论,并不局限于集总电路。比如说,一个天线,如果作为发射天线,则其向外辐射能量,其中Rrad称为辐射电阻,作为接收天线,天线会产生热噪声,如下图所示。
 
 
 
噪声
 
严格来说,这是不正确的,因为接收天线的噪声实际上是由“背景”噪声(例如宇宙辐射)给出的。然而,在 RF 设计中,通常假设天线噪声为 4kTRrad。
 
MOSFET中的噪声
 
工作在饱和区的MOS晶体管的热噪声,可以近似地用源极和漏极之间的电流源表示。如下图所示。
 
 
噪声
 
其中, γ为过量噪声系数,"excess noise coefficient",gm为跨导(transconductance).
对于长沟道晶体管,γ的值为2/3;对于短沟道晶体管,γ的值为2.
γ的实际值,还取决于其他因素,通常通过对每一代 CMOS 技术的测量获得。
噪声也可以用电压源与MOS管的栅极级联来模拟,如上图所示。
 
热噪声的另一个组成部分,是来自MOS管的栅极电阻,而且当栅极长度缩小时,这个效应会变得更加重要。
如下图所示,MOS管的宽度为W,长度为L。
 
噪声
 
可以证明,这个结构,可以简化成一个集总模型,其等效栅极电阻为RG/3,热噪声PSD为4KTRG/3.
 
噪声
 
在一个好的设计中,这个噪声必须小于沟道的噪声,即
 
噪声
 
栅极和漏极之间也存在电阻,但是这可以通过使用multiple fingers来减小。
 
高频的时候,从沟道流过的热噪声电流会通过电容耦合耦合到栅极,因此产生栅极感应噪声电流“gate-induced noise current”。如下图所示。该效应,并未在典型的电路放置器中建模,但其重要性仍然不清楚。
 
噪声
 
MOS管也有闪烁噪声,又称为"1/f"噪声。可以用与栅极级联的电压源来模拟,这种噪声的功率谱密度为:
 
噪声
 
其中,K是一个与工艺相关的恒量。在大多数的CMOS工艺中,PMOS 器件的 K 低于 NMOS 晶体管,因为前者携带电荷远低于氧化硅界面,因此受“表面状态”(悬空键)的影响较小。
 
同样的,闪烁噪声也可以通过一个电流源来模拟。
如下图所示,与MOS管栅极相连的电压源,可以等效为连接在漏极和源极之间的电流源,其值为gmV1。所以,可以得到下图。
 
噪声
 
给定器件尺寸和偏置电流,1/f噪声的功率谱密度和热噪声的功率谱密度,在某个频率点相交,称为“1/f 噪声转角频率”,如下图所示。
 
噪声
 
将热噪声电流等于闪烁噪声电流,求得的f即为1/f噪声拐角频率,如下式所示。
 
噪声
 
在现代CMOS工艺中,拐角频率处于几十甚至几百MHz的范围内。
 
虽然闪烁噪声的影响在高频下似乎可以忽略不计,但我们必须注意,混频器和振荡器等电路中的非线性或时间变化,可能会将1/f闪烁噪声转换到射频领域。
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