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不可忽视的闪烁噪声

2023/05/08
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当器件内部,载流子在不连续的材料上移动时,会随机的遭遇到捕获和释放,进而产生闪烁噪声。

比如,MOS管栅极的氧化层与硅介质层之间,就存在不连续性。

CMOS工艺中,闪烁噪声取决于接触面的纯度,如果从一种CMOS工艺换到另一种CMOS工艺时,闪烁噪声的值可能会大不相同。

在饱和区时,闪烁噪声可以用与栅极级联的电压源来表示,粗略地可以表示为:

从上面的式子中,可以了解到,薄的氧化层(Cox大),或者大的WL值,闪烁噪声会相对较低。所以,在低噪声设计中,经常会看到大面积管子的设计。

而且,闪烁噪声的谱密度与频率呈反比。如下图所示:

由于硅中的载流子寿命大约为几十微秒(相对较长),因此产生的电流波动集中在较低频率,因为这个原因,闪烁噪声又被称为1/f 噪声。

为了量化给定器件的1/f噪声与热噪声之间的关系,可以把这两种噪声谱密度,放在同一坐标轴下,如下图所示。

1/f噪声 “拐角频率“,是一个分界点,左侧是闪烁噪声占主要地位,右侧是热噪声占主要地位。

所以,如果所关注的频率比较高的时候,就可以不用考虑闪烁噪声的影响。

但是,闪烁噪声,在某些应用情况下,确实会造成很大的困扰。

比如说,当采用零中频接收架构,且信道带宽比较窄的时候。

当然,闪烁噪声的影响,也不只是针对零中频接收架构,所有的中频为零中频的接收机,都会受到闪烁噪声的影响。比如说,采用的是二次变频的超外差接收机,在第二中频时,采用的是零中频,那么闪烁噪声也会是个困扰。

举个例子。

假设有一个零中频接收机,处理的是信道带宽为200KHz的信号,如GSM信号。

而接收机的基带闪烁噪声拐角频率为200KHz。如下图所示。

可以看到,当信道带宽很窄的时候,闪烁噪声会对有用信号的信噪比产生比较大的影响。

所以,有时候,为了规避闪烁噪声的影响,可能会去选择低中频接收机架构。

文献:

razavi, RF MICROELECTRONICS

razavi,Design of Analog CMOS Integrated Circuits

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公众号加油射频工程师,分享工作和学习中,对射频知识的理解和感悟。