運算放大器的內(nèi)部噪聲及計算公式-KIA MOS管

簡單介紹4種常見的內(nèi)部噪聲及其計算公式。
(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年研究此類噪聲時,用子彈射入靶子時所產(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)體中電荷載流子運動的隨機波動引起的，當(dāng)電子遇到障礙時，勢能積累，直到電子越過障礙。例如當(dāng)每個電子隨機穿過勢壘（例如半導(dǎo)體中的pn結(jié)）時，能量在電子遇到時被存儲和釋放，然后穿過勢壘射出。

散粒噪聲的特點包括：

(1) 散粒噪聲總是與電流有關(guān)，當(dāng)電流停止時停止。

(2) 散粒噪聲與溫度無關(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：

其中：

q為電子電荷，其值為1.602176634 × 10^(-19) (單位庫倫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：

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

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

（rd動態(tài)電阻的推導(dǎo)過程：模擬電子技術(shù)第五版（童詩白P19）

根據(jù)歐姆定律，則散粒噪聲(均方根電壓)可以表示為：

(2)熱噪聲

熱噪聲（Thermal noise）又被稱為約翰遜噪聲，它是由于熱攪動導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)部的電荷載體（通常是電子）達到平衡狀態(tài)時的電子噪聲，熱噪聲與溫度成比例，僅在絕對零度處停止（絕對零度實際上無法達到）。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：

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。

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：

如圖所示在實際的運算放大器中，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。它也被稱為隨機電報噪聲（RTN），爆米花噪聲，脈沖噪聲，雙穩(wěn)態(tài)噪聲或隨機電報信號（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，專家通常會對具有較多突發(fā)噪聲的器件進行仔細的檢查。失效分析將查找會引起突發(fā)噪聲的微小缺陷。

圖顯示了如何將一個正常晶體管與一個帶有晶體缺陷的晶體管進行對比。

圖2 正常晶體管與帶有晶體缺陷的晶體管的比較

圖3    一種突發(fā)噪聲

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