1. Шуми в напівпровідникових пристроях
2. властивості шуму
3. амплітуда шуму
4. Спектральна щільність шуму
5. Види шуму в напівпровідниках
6. Білий шум
7. рожевий шум
8. Опис шумових характеристик в технічній документації
9. Параметри в тимчасовій області
10. Параметри в частотної області
11. Калькулятор теплового шуму
12. Висновок
13. література
14. Про компанію Maxim Integrated

Наше деловое партнерство www.banwar.org

Ця стаття присвячена забезпеченню необхідних шумових параметрів ланцюгів обробки сигналів. Ми розглянемо характеристики шумів в напівпровідниках. Ці види шуму притаманні всім інтегральних схем. У статті пояснюється, як шум специфицируется в технічній документації на напівпровідникові прилади, і показано, яким чином можна оцінити шумові характеристики джерела опорної напруги (ДОН) в реальних умовах експлуатації, що не наведені в документації.

Сьогодні розуміння природи і властивостей електричного шуму важливо, як ніколи раніше. Коли 14- і 16-розрядні перетворювачі стають буденністю, а 18- і 24-розрядні перетворювачі все доступніше, шум часто виявляється єдиним чинником, що обмежує системні характеристики. Очевидно, що розуміння причин виникнення і характеристик шумів в інтегральних схемах - це ключ до досягнення найвищої точності системи.

Шум може вивести з себе кого завгодно, але особливо він дратує розробників аналогових приладів. Взагалі кажучи, шум - абсолютно небажане електричне явище в будь-який ланцюга обробки сигналів. Залежно від походження, шум можна класифікувати як зовнішній (інтерференція, перешкода) або внутрішній (внутрішньо властивий, невід'ємний). Це проілюстровано блок-схемою каналу обробки сигналу (рисунок 1). Тут все внутрішні джерела шуму (Vint) об'єднані на виході, а всі зовнішні джерела шуму (Vext) - на вході сигнальної ланцюга.

Мал. 1. Шум в сигнальної ланцюга

Розробнику важливо розуміти причини виникнення внутрішнього шуму в напівпровідниках і його характеристики. Залежно від причини виникнення виділяють наступні типи внутрішнього шуму: теплової, дробовий, мерехтіння шум, шум лавинного множення і шум, викликаний випадковими стрибками струму, а також шуми, специфічні для перетворювачів даних: шум дискретизації, тремтіння апертури і гармонійні спотворення. Розробник повинен також знати, чи можна запобігти появі шумів того чи іншого типу, або вони неминучі.

Шуми в напівпровідникових пристроях

Генерація шуму властива всім електричним компонентів, в тому числі - всім напівпровідникових приладів і резисторам. Ми почнемо з обговорення загальних властивостей шуму, а потім розглянемо типи і характеристики загальноприйнятих джерел шуму. Далі ми навчимося знаходити в технічній документації шумові параметри і інтерпретувати їх. На завершення використовуємо всю цю інформацію для розрахунку вихідного шуму джерела опорного напруги, що працює в умовах, які не визначені в технічній документації.

властивості шуму

Наступний розділ присвячений опису природи шуму в напівпровідниках і тому, як визначають шум в напівпровідникових пристроях.

амплітуда шуму

Першопричиною усіх шумів в напівпровідниках є випадкові процеси, тому передбачити величину миттєвою амплітуди шуму неможливо. Амплітуда описується гауссовским (нормальним) розподілом. Зверніть увагу, що середньоквадратичне (RMS) значення шуму (Vn) являє собою стандартне відхилення (σ) розподілу шуму. Середньоквадратичне і пікове напруги джерела випадкового шуму пов'язані між собою співвідношенням:

Для будь-якого сигналу відношення величини повного розмаху (peak-to-peak) напруги до його середньоквадратичного значення (VnP_P / VnRMS) називають пік-фактором (crest factor) або коефіцієнтом амплітуди. В даному рівнянні коефіцієнт 6,6 - часто використовується пік-фактор. Це значення обумовлено тим, що статистично на виході гауссова джерела шуму напруга, повний розмах якого в 6,6 рази перевищує середньоквадратичне, присутній протягом 0,01% повного тимчасового інтервалу спостереження. Це затінена область під графіком щільності шумової напруги, наведеного на малюнку 2. Імовірність того, що амплітуда напруги вийде за зазначені межі ± 3σ, дорівнює 0,0001. Важливо пам'ятати, що корельовані сигнали підсумовуються лінійно, тоді як випадкові сигнали (такі як шуми) складаються геометрично, тобто як квадратний корінь з суми квадратів.

Мал. 2. Гаусове розподіл шуму

Спектральна щільність шуму

Джерела шуму в напівпровідниках з вигляду графіків, що відображають їх спектральну щільність, можна розділити на дві категорії. На високих частотах домінує білий шум, а на низьких - рожевий шум. Для білого шуму характерна рівномірна спектральна щільність (рисунок 3). У цьому випадку енергія сигналу буде однакова в будь-якої заданої смузі частот. У разі рожевого шуму енергія сигналу буде однакова в кожній декаді. Він характеризується спектральної щільністю (малюнок 4), яка обернено пропорційна частоті, через що рожевий шум часто називають 1 / f-шумом.

Мал. 3. Спектральна щільність білого шуму

Мал. 4. Спектральна щільність рожевого шуму

На малюнку 4 Kv - константа, відповідна екстраполювати значенням en при f = 1 Гц. Обидві осі координат на малюнку наведені в логарифмічному масштабі.

Шум, що виявляється в напівпровідникових приладах, є комбінацією білого і рожевого шуму, що в результаті дає спектральну щільність, графік якої наведено на малюнку 5. Осі координат тут також мають логарифмічний масштаб. Частота зламу (FC) - межа між рожевим і білим шумом.

Мал. 5. Спектральна щільність шуму

Напруга шуму в смузі частот визначається площею під кривою спектральної щільності шуму між верхньою (Fh) і нижньої (Fl) частотами смуги. Математично це записується у вигляді:

де ND - спектральна щільність шуму; Fc - частота зламу; Fl - нижня межа смуги частот; Fh - верхня межа смуги частот. спрощуючи, отримуємо:

Як можна бачити, амплітудне значення шуму повинно завжди даватися в частотному діапазоні.

Види шуму в напівпровідниках

Як вже говорилося, джерела шуму в напівпровідниках можна віднести до однієї з двох категорій залежно від форми кривої, яка описує їх спектральну щільність. Ці дві категорії - білий і рожевий шуми. Розглянемо докладніше кожен тип шуму.

Білий шум

Мал. 6. Осцилограма білого шуму (1 мкс / справ.)

Для білого шуму характерна рівномірна спектральна щільність з однаковою енергією шумового сигналу в будь-якої заданої смузі частот. Назва для такого типу шуму прийшло з оптики, де світло з однаковою амплітудою в усьому спектрі має білий колір. Осцилограма білого шуму має характерний вигляд, показаний на малюнку 6. В напівпровідникових приладах виділяють три джерела білого шуму: теплової, дробовий і лавинний.

Тепловий шум. Тепловий шум, також званий шумом Джонсона, генерується всіма пасивними резистивним елементами. Причина його появи - випадкове броунівський рух електронів в резистивной середовищі. Тепловий шум збільшується зі зростанням температури і опору і часто виявляється найсуттєвішою складовою шуму в прецизійних напівпровідникових перетворювачах даних.

Всі пасивні резистивні елементи - як дискретні, так і інтегральні, - генерують теплової шум. Наявність постійного струму не впливає на рівень теплового шуму, але він збільшується з ростом температури і опору. Резистори, навіть ізольовані, завжди генерують шум.

Щільність теплового шуму (ND - Noise Density) визначається наступним чином:

де k - постійна Больцмана, R - опір в [Ом], а T - температура в [K].

Дробовий шум. Дробовий шум, також званий шумом Шотткі, генерується в активних приладах, коли заряд проходить через потенційний бар'єр. Потенційні бар'єри є в транзисторах і діодах. Дробовий шум генерується через те, що потік зарядів, що проходять через перехід, не є безперервним. Він формується окремими електронами, час приходу яких - випадкова величина. Постійний струм, який ми бачимо на макроскопічному рівні, в дійсності представляє собою суму безлічі випадкових мікроскопічних імпульсів струму. Саме випадкові варіації струму забезпечують дробові шуму гаусову рівномірну спектральну щільність (білий шум). Рівень дробового шуму збільшується з ростом струму.

Щільність дробового шуму визначається наступним чином:

де q - електричний заряд, а I - протікає через бар'єр струм.

Лавинний шум (шум лавинного множення). Джерелами лавинного шуму є PN-переходи, що працюють в режимі зворотного пробою, як це відбувається в стабілітронах (зенеровскіх діодах). Струм, що генерується під час лавинного пробою, складається з випадково розподілених шумових викидів, що проходять через назад-зміщений перехід. Як і в разі дробового шуму, для генерації лавинного шуму потрібна наявність струму, але зазвичай він набагато інтенсивніше.

рожевий шум

Рожевий шум характеризується спектральної щільністю, зростаючої у міру зменшення частоти. В даному випадку енергія сигналу однакова в кожній частотній декаді. Це створює спектральну щільність потужності, назад пропорційну частоті. Назва для такого типу шуму також прийшло з оптики, де світло, в спектрі якого домінують низькочастотні складові, має рожевий колір. Рожевий шум притаманний усім активним і деяким пасивним приладів.

У напівпровідникових приладах розрізняють два різновиди рожевого шуму - флікер-шум (flicker noise) і шум, викликаний випадковими стрибками струму (popcorn noise).

Мал. 7. Вид осцилограми мерехтіння шуму
(1 с / справ., Смуга частот 0,1 ... 10 Гц)

Мерехтіння шум. Мерехтіння шум (також званий 1 / f-шумом або контактним шумом) - надмірний шум, що генерується випадковими флуктуаціями струму, причиною яких є дефекти в напівпровідникових матеріалах. Такий шум притаманний транзисторів всіх типів і деяких типів резисторів. Мерехтіння шум генерують дифузійні резистори і композитні вугільні резистори, оскільки вони виконані з напівпровідникових матеріалів. Мерехтіння шум тісно пов'язаний з постійним струмом.

Щільність мерехтіння шуму визначається наступним чином:

де K - константа, яка визначається приладом, I - постійний струм, а f - частота.

Механізми виникнення флікер-шуму можуть бути найрізноманітнішими, наприклад:

1. У біполярних транзисторах мерехтіння шум викликається пастками, пов'язаними з забрудненнями і дефектами кристалічної решітки в переході між базою і емітером.
2. У польових транзисторах з керуючим PN-переходом (JFET) він викликається генерацією носіїв у пастках в збідненим шарі каналу.
3. У МОП-транзисторах (MOSFET) головними винуватцями шуму є поверхневі дефекти.

Частота, нижче якої інтенсивність мерехтіння шуму починає перевищувати інтенсивність білого шуму, називається частотою зламу (FC, малюнок 5). Як правило, частота зламу лежить в діапазоні 0,1 Гц ... 1 кГц і варіюється в залежності від джерел шуму.

Мерехтіння шуми від різних джерел підсумовуються згідно з правилом складання середньоквадратичних значень. Після чого мерехтіння шум описується одним джерелом, що діють на вході або виході напівпровідникового приладу і характеризується однією результуючої щільністю шуму і однією частотою зламу.

Осцилограма рожевого шуму виглядає як осциллограмма білого шуму з додатковою низькочастотної компонентою. Приклад осцилограми рожевого шуму наведено на малюнку 7.

Мал. 8. Осцилограма шуму, спричиненого випадок-
ними стрибками струму (0,4 с / справ.)

Шум, викликаний випадковими стрибками струму (popcorn noise). Шум, викликаний випадковими стрибками струму (також званий імпульсним шумом, burst noise) - це низькочастотні модуляції струму через захоплення і емісії носіїв заряду. Найчастіше такий тип шуму зустрічається в біполярних транзисторах, а його причиною є забруднення напівпровідникових матеріалів іонами важких металів. Свою назву він отримав через «клацань», вироблених їм в динаміці. Ці клацання носять випадковий характер з частотою нижче 100 Гц і характеризуються дискретної амплітудою і тривалістю 1 мс ... 1 с.

Щільність імпульсного шуму зростає зі зменшенням частоти:

Тут K - константа, яка визначається приладом, I - постійний струм, Fc - частота зламу, f - частота.

Шум, викликаний випадковими стрибками струму, виглядає на осциллограмме як великі, низькочастотні, тривалі скачки напруги. Приклад такої осцилограми наведено на малюнку 8.

Випадкові шуми від всіх джерел підсумовуються згідно з правилом складання середньоквадратичних величин. Після цього вони описуються одним джерелом, що діють на вході або виході інтегральної схеми і характеризується однією результуючої щільністю шуму і однією частотою зламу.

Опис шумових характеристик в технічній документації

Відомості про шумових параметрах приладу наводяться або в таблиці електричних параметрів, або в розділі типових умов експлуатації технічного опису. Будьте уважні: шумові характеристики наводяться у вигляді типових значень і, отже, ніхто не гарантує, що реальні значення будуть саме такими. Шумові параметри наводяться тільки для того, щоб споживач уявляв собі розумний порядок цих величин.

Параметри в тимчасовій області

У технічній документації дані про шум зазвичай наводяться у вигляді напруги в певній смузі частот: як розмах шумового напруги і / або як середньоквадратичне напруга. У таблиці 1 показано, в якому вигляді наведені дані по шумовому напрузі в технічній документації на джерело опорного напруги MAX6129_21 .

Таблиця 1. Технічна специфікація шуму, взята їх технічного опису мікросхеми опорного напруги MAX6129_21

Параметр Позначення Умови Мін. Тип. Макс. одиниці
вимірювання Динамічні характеристики Напруга шуму eOUT f = 0,1 ... 10 Гц 30 μVP-P f = 0,01 ... 1 кГц 115 μVRMS

Перше наведене значення (30 мкВP-P) - це мерехтіння або 1 / f-шум. Визначити, що це саме мерехтіння шум, можна по заданій в колонці «умови» смузі в низькочастотному діапазоні (0,1 ... 10 Гц). Зауважимо, що в даному випадку наводиться розмах шумового напруги (одиниці вимірювання мкВP-P - мкв (пік-пік)), а не середньоквадратичне значення (вимірюється в мкВRMS - мкв (скв)). Це пов'язано з тим, що шум у зазначеній смузі найбільш цікавий в додатках, що працюють на постійному струмі, де особлива увага приділяється піковим помилок.

Друга наведена величина - це середньоквадратичне значення шумової напруги (одиниці вимірювання в мкВRMS), виміряного в більш широкій смузі і на більш високих частотах, де домінує білий шум, а шум 1 / f незначний. Зауважимо, що приводиться середньоквадратична величина (а не розмах, вимірюваний в мкВP-P), оскільки шум, визначений у широкій смузі частот, найбільш цікавий в високочастотних додатках, в яких необхідно забезпечувати необхідні відносини «сигнал / шум» (SNR). При вимірах величини SNR використовується середньоквадратичне значення шуму.

Шумові параметри АЦП і ЦАП дуже схожі на шумові параметри джерел опорного напруги.

Параметри в частотної області

Шум також можна визначити його спектральної щільністю (ND) на певній фіксованій частоті або поблизу неї. У таблиці 2 показано, в якому вигляді наведені дані по щільності шуму в документації на джерело опорного напруги MAX6126_21 . Оскільки щільність шуму завжди змінюється з частотою - її визначають на фіксованій частоті (spot frequency). Ця фіксована частота приведена в колонці «умови» таблиці електричних параметрів. Для MAX6126 дано значення щільності шуму 60 НВ / √Гц на частоті 1 кГц. Часто використовуються і інші частоти вимірювань: 10 кГц, 100 кГц і 1 МГц.

Таблиця 2. Специфікація шуму, взята їх технічного опису мікросхеми опорного напруги MAX6126_21

Параметр Позначення Умови Мін. Тип. Макс. одиниці
вимірювання Динамічні характеристики Напруга шуму eOUT f = 0,1 ... 10 Гц 1,3 μVP-P f = 1 кГц, CNR = 0 60 НВ / √Гц f = 1 кГц, CNR = 0,1 мкФ 35

Напруга шуму в смузі частот можна оцінити, взявши спектральну щільність шуму (ND) з таблиці електричних параметрів і верхню (Fh) і нижню (Fl) робочі частоти:

В дане рівняння не входить мерехтіння шум і, отже, воно вірно тільки для діапазонів, частота нижньої межі яких істотно більше частоти зламу (Fl >> FC). Проте, можна передбачити напруга шуму в будь-якої бажаної смузі частот, якщо задані спектральна щільність шуму (ND) і частота зламу (Fc). Ці дані можна знайти в таблиці електричних параметрів технічного опису приладу або визначити за графіком «залежність спектральної щільності шуму від частоти» в розділі типових умов експлуатації. Наприклад, в розділі типових умов експлуатації технічного опису на джерело опорного напруги MAX6143 наведено графік спектральної щільності шуму, представлений на малюнку 9.

Мал. 9. Графік спектральної щільності шуму
MAX6143

Мал. 11. Графік спектральної щільності шуму
MAX6143 з лініями ND і 1 / f

Оцінка амплітудних значень шуму, що не наведені в таблиці електричних параметрів

Якщо відомі спектральна щільність шуму (ND) і частота зламу (Fc), то напруга шуму в будь-який смузі частот можна оцінити, використовуючи рівняння 1 і 3.

Мал. 10. Схема джерела опорного напруги

Для оцінки напруги шуму необхідні чотири вихідні величини:

• ND - спектральна Щільність шуму;
• FC - частота злами;
• Fl - нижня межа Смуги частот;
• Fh - верхня межа Смуги частот.

ND і Fc зазвичай можна знайти або в таблиці електричних параметрів технічного опису, або визначити за графіком спектральної щільності шуму, наведеним в розділі типових умов експлуатації. Візьмемо для прикладу ІОН MAX6143. Оцінимо мерехтіння шум і шумова напруга на виході в смузі звукових частот (20 Гц ... 20 кГц). Схема показана на малюнку 10.

Використовуючи виконаний в логарифмічному масштабі графік спектральної щільності шуму, можна знайти Fc на перетині ліній ND і 1 / f. На малюнку 11 ці лінії виділені червоним кольором. В даному випадку щільність шуму ND = 910 НВ / √Гц, а частота Fc = 0,3 Гц.

Підставами в рівняння 3 наступні значення: ND = 910 НВ / √Гц, FC = 0,3 Гц, Fl = 0,1 Гц і Fh = 10 Гц. Отримуємо напруга шуму, рівне 3,06 мкВRMS (скв). Перейшовши за допомогою рівняння 1 до VP-P, знайдемо, що мерехтіння шум = 20,2 мкВP-P (рисунок 12). Цей результат добре узгоджується з наведеними в документації значенням.

Мал. 12. Оцінка мерехтіння шуму для MAX6143

Мал. 13. Оцінка напруги шуму на виході
MAX6143 в смузі звукових частот

Знаходження напруги шуму, що не наведеного в таблиці електричних параметрів

Рівняння 1 і 3 можна використовувати для знаходження шумової напруги на виході в будь-який представляє інтерес смузі частот. Наприклад, можна знайти шумова напруга на виході MAX6143 в смузі звукових частот від Fl = 20 Гц до Fh = 20000 Гц. Використовуючи значення ND = 910 НВ / √Гц, FC = 0,3 Гц, Fl = 20 Гц і Fh = 20000 Гц, отримаємо, що розрахункова величина напруги шуму дорівнює 128 мкВRMS (рисунок 13).

Калькулятор теплового шуму

Для швидкого виконання наведених вище розрахунків шумових характеристик є безкоштовний калькулятор. Його можна завантажити за посиланням: http://www.maximintegrated.com/tools/ calculators / hp50g /. Клацніть по посиланню і виберіть Thermal Noise Calculator (TNC). У TNC входить «керівництво користувача» (User's Guide), в якому є інструкції по використанню калькулятора, наведені рівняння і обгрунтування і, що найбільш важливо, практичні приклади використання калькулятора при розробці та аналізі схем.

TNC - це програма, написана для калькулятора HP® * 50g, яка призначена для аналізу теплового шуму, що виходить з резисторів і інших джерел. Цей калькулятор дозволяє знайти напруга шуму, що генерується пристроєм, якщо відомі спектральна щільність білого шуму і частота зламу 1 / f. Кожен параметр може бути заданий або знайдений. TNC може також працювати на персональних комп'ютерах з операційною системою Windows® ** за допомогою безкоштовної програми HPUserEdit 5.4, яку можна знайти на www.hpcalc.org або на сторінці http: //www/maximintegrated.com/tools/ calculators / hp50g /.

Мал. 14. Вид калькулятора теплового шуму

Можна ввести або знайти сім параметрів, описаних у цій статті (рисунок 14):

• напруга шуму (Vn) в мкВP-P (μVP-P) або мкВRMS (μVRMS);
• спектральна щільність білого шуму (ND) в нв / √Гц (nV / √Гц);
• опір Джонсона (R) в Ом (П);
• температура (T) в ° C;
• верхня межа частотного діапазону (Fh) в Гц (Hz);
• нижня межа частотного діапазону (Fl) в Гц (Hz);
• частота зламу (FC) для 1 / f в Гц (Hz).

Висновок

У всіх напівпровідникових приладах є внутрішні джерела, що генерують шум. Всі шуми небажані, і розробники повинні знати, як можна зменшити їх рівень або, якщо можливо, взагалі їх виключити. У цій статті ми обговорили характеристики шумів в напівпровідниках і пояснили, в якому вигляді шумові параметри наводяться в технічній документації на напівпровідникові прилади. Було продемонстровано, як можна оцінити шум джерела опорного напруги в умовах, що не наведені в технічному описі.

* HP - зареєстрована товарна марка і знак обслуговування Hewlett-Packard Development Company, LP
** Windows - зареєстрована товарна марка і знак обслуговування Microsoft Corporation.

література

1. Lundberg K. Noise sources in bulk CMOS // Massachusetts Institute of Technology. Cambridge, 2002;
2. Milotti E. A pedagogical review of 1 / f noise // (www.a rxiv.org);
3. Franco S. Design with operational amplifiers & analog integrated circuits // McGraw-Hill Inc. New York, 1988;
4. Gray P., Meyer R. Analysis and design of analog integrated circuits // Wiley. New York, 1993;
5. Maxim Integrated tutorial 719. Understanding voltage-reference topo lo gies and specifications // (http: //www.maximintegrated. Com / AN719).

Отримання технічної информации , замовлення зразків , замовлення и доставка .

Про компанію Maxim Integrated

Компанія Maxim Integrated є одним з провідніх розробніків и віробніків широкого спектра аналогових и цифро-аналогових інтегральніх систем. Компанія булу засновано в 1983 году в США, в городе Саннівейл (Sunnyvale), штат Каліфорнія, інженером Джеком Гіффорд (Jack Gifford) спільно з групою експертів зі создания мікроелектронніх компонентів. Сейчас штаб-квартира компании знаходиться в м Сан-Хосе (San Jose) (США, Каліфорнія), виробничі потужності (7 заводів) і ... читати далі