運(yùn)算放大器的內(nèi)部噪聲及計(jì)算公式-KIA MOS管

簡(jiǎn)單介紹4種常見(jiàn)的內(nèi)部噪聲及其計(jì)算公式。
(1)散粒噪聲

散粒噪聲（shot noise)通信設(shè)備中的有源器件(如電真空管）中，由于電子發(fā)射不均勻性所引起的噪聲。散粒效應(yīng)噪聲是Schottky于1918年研究此類(lèi)噪聲時(shí),用子彈射入靶子時(shí)所產(chǎn)生的噪聲命名的，因此它又稱為散彈噪聲或顆粒噪聲。

散粒噪聲由導(dǎo)體中電荷載流子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)波動(dòng)引起的，當(dāng)電子遇到障礙時(shí)，勢(shì)能積累，直到電子越過(guò)障礙。例如當(dāng)每個(gè)電子隨機(jī)穿過(guò)勢(shì)壘（例如半導(dǎo)體中的pn結(jié)）時(shí)，能量在電子遇到時(shí)被存儲(chǔ)和釋放，然后穿過(guò)勢(shì)壘射出。

運(yùn)算放大器噪聲公式

散粒噪聲的特點(diǎn)包括：

(1) 散粒噪聲總是與電流有關(guān)，當(dāng)電流停止時(shí)停止。

(2) 散粒噪聲與溫度無(wú)關(guān)。

(3) 散粒噪聲具有均勻的功率密度。

均方根散粒噪聲電流可以表示為：

運(yùn)算放大器噪聲公式

其中：

q為電子電荷，其值為1.602176634 × 10^(-19) (單位庫(kù)倫C)

ID為平均正向直流電流（單位安培A）

Io為反向飽和電流（單位安培A）

B為帶寬（單位Hz）

而溫度的電壓當(dāng)量可以表示為：

運(yùn)算放大器噪聲公式

其中k為波耳茲曼常數(shù)（1.38×10–23J/K），T為熱力學(xué)溫度，即絕對(duì)溫度（300K），q為電子電荷（1.6×10–19C）。在常溫下≈26mV。

假設(shè)一個(gè)pn結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，則pn結(jié)的動(dòng)態(tài)電阻可以表示為：

運(yùn)算放大器噪聲公式

（rd動(dòng)態(tài)電阻的推導(dǎo)過(guò)程：模擬電子技術(shù)第五版（童詩(shī)白P19）

運(yùn)算放大器噪聲公式

根據(jù)歐姆定律，則散粒噪聲(均方根電壓)可以表示為：

運(yùn)算放大器噪聲公式

(2)熱噪聲

熱噪聲（Thermal noise）又被稱為約翰遜噪聲，它是由于熱攪動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)部的電荷載體（通常是電子）達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的電子噪聲，熱噪聲與溫度成比例，僅在絕對(duì)零度處停止（絕對(duì)零度實(shí)際上無(wú)法達(dá)到）。和散粒噪聲一樣，熱噪聲在頻譜上也是平坦的。

熱噪聲可以表示為：

運(yùn)算放大器噪聲公式

表示熱噪聲電壓（均方根RMS），k是玻爾茲曼常數(shù)(1.38× 10-23 J/K)，T表示開(kāi)爾文為單位的溫度值，R是以歐姆為單位的電阻，B是以Hz為單位的噪聲帶寬。

(3)閃爍噪聲

閃爍噪聲（Flicker Noise）也被稱為1/f 噪聲，閃爍噪聲存在于所有有源和無(wú)源器件中，它可能與半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的缺陷有關(guān)，更好的半導(dǎo)體工藝可以有效地減少閃爍噪聲。

運(yùn)算放大器噪聲公式

1/f噪聲的功率譜密度與頻率成反比， 1/f電壓噪聲和電流噪聲可以表示如下：

運(yùn)算放大器噪聲公式

如圖所示在實(shí)際的運(yùn)算放大器中，電壓噪聲頻譜密度在1/f轉(zhuǎn)折頻率之前呈現(xiàn)1/f噪聲的特性，1/f轉(zhuǎn)折頻率之后，電壓噪聲頻譜密度趨于穩(wěn)定。

（4）突發(fā)噪聲（Burst noise）

突發(fā)噪聲是一種發(fā)生在半導(dǎo)體和超薄柵氧化膜中的電子噪聲。它也被稱為隨機(jī)電報(bào)噪聲（RTN），爆米花噪聲，脈沖噪聲，雙穩(wěn)態(tài)噪聲或隨機(jī)電報(bào)信號(hào)（RTS）噪聲。

爆米花噪聲出現(xiàn)在低頻率（通常為 f < 1kHz）下。我們已經(jīng)知道重金屬原子污染是引起爆米花噪聲的原因。在失效分析時(shí)，專家通常會(huì)對(duì)具有較多突發(fā)噪聲的器件進(jìn)行仔細(xì)的檢查。失效分析將查找會(huì)引起突發(fā)噪聲的微小缺陷。

圖顯示了如何將一個(gè)正常晶體管與一個(gè)帶有晶體缺陷的晶體管進(jìn)行對(duì)比。

運(yùn)算放大器噪聲公式