本文將討論如何測(cè)量并辨別爆米花噪聲；以及相對(duì)于1/f 及寬帶噪聲的幅度；還有對(duì)爆米花噪聲特別敏感的諸多應(yīng)用。

1/f 和寬帶噪聲的回顧

討論爆米花噪聲以前，對(duì)時(shí)域和寬帶及1/f噪聲的統(tǒng)計(jì)表示法進(jìn)行回顧是非常有幫助的。1/f 和寬帶噪聲均具有高斯分布的特點(diǎn)。 此外，在一個(gè)特定設(shè)計(jì)中，這些噪聲類(lèi)型都是一貫的并且是可以預(yù)見(jiàn)的。到目前為止，我們已經(jīng)從本文中了解了如何通過(guò)計(jì)算和仿 真（圖 1－2）來(lái)預(yù)測(cè)噪聲級(jí)別。但是，這些方法均不能用于測(cè)量爆米花噪聲。

圖 8.1 寬帶噪聲——時(shí)域及柱狀圖

圖 8.2 1/f 噪聲——時(shí)域及柱狀圖

何謂爆米花噪聲

爆米花噪聲是一種在雙極晶體管基極電流中的突然階躍或跳躍，或 FET 晶體管閾值電壓中的一種階躍。之所以將其稱(chēng)為爆米花 噪聲，是因?yàn)楫?dāng)通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)時(shí)其聽(tīng)起來(lái)類(lèi)似爆米花的聲音。這種噪聲也被稱(chēng)為猝發(fā)噪聲和隨機(jī)電報(bào)信號(hào) (RTS)。爆米花噪 聲出現(xiàn)在低頻率（通常為 f < 1kHz）下。每秒鐘可以發(fā)生數(shù)次猝發(fā)，在極少數(shù)情況下，可能數(shù)分鐘才發(fā)生。

圖 8.3 顯示了時(shí)域中的爆米花噪聲及其相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分布情況。需要注意的是，噪聲級(jí)別的不同跳躍與分布峰值相對(duì)應(yīng)。很明顯， 該分布情況與非高斯爆米花噪聲相關(guān)。實(shí)際上，本例中顯示的分布情況為三條放置于彼此頂部的高斯曲線（三模分布）。出現(xiàn)這種情 況的原因是，本例中的爆米花噪聲具有三個(gè)離散電平。各猝發(fā)間的噪聲為寬帶和 1/f 噪聲的組合。因此，該噪聲由三個(gè)不同的 1/f 及 寬帶噪聲高斯分布組成，而 1/f 及寬帶噪聲又被爆米花噪聲轉(zhuǎn)換為不同的電平。

圖 8.3爆米花噪聲時(shí)域及柱狀圖

爆米花噪聲的起因

人們認(rèn)為，爆米花噪聲是由電荷陷阱或半導(dǎo)體材料中的微小缺陷引起的。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(zhuān)家通常會(huì)對(duì)具有較多爆米花噪聲的器件進(jìn)行仔細(xì)的檢查。失效分析將查找會(huì)引起爆米花噪聲的微小缺陷。圖 8.4 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。

圖 8.4 正常晶體管與帶有晶體缺陷的晶體管的比較

這種問(wèn)題的普遍程度如何？

爆米花噪聲與那些在半導(dǎo)體制造期間出現(xiàn)的問(wèn)題有關(guān)系。對(duì)許多現(xiàn)代工藝而言，爆米花噪聲的出現(xiàn)相對(duì)要少一些。一般而言， 爆米花噪聲取決于不同的“批次”，即一些批次沒(méi)有爆米花噪聲，而其他批次可能會(huì)有一點(diǎn)。一批特別差的半導(dǎo)體可能會(huì)有百分之五 的器件具有爆米花噪聲。在許多情況下，我們都可以找出引起爆米花噪聲的制造技術(shù)問(wèn)題。

爆米花噪聲——究竟是電流噪聲還是電壓噪聲？

在雙極晶體管中，爆米花噪聲以基極電流的一個(gè)階躍變化形式出現(xiàn)。因此，雙極運(yùn)算放大器爆米花噪聲通常表現(xiàn)為偏置電流噪 聲。由于這一原因，雙極放大器中的爆米花噪聲可能僅在高源阻抗應(yīng)用中出現(xiàn)。

在具有 JFET 輸入放大器的雙極運(yùn)算放大器中，偏置電流噪聲通常不是個(gè)問(wèn)題。在一些情況下，一個(gè)內(nèi)部級(jí)雙極晶體管將會(huì)產(chǎn)生 爆米花噪聲。這種爆米花噪聲表現(xiàn)為電壓噪聲。

一般而言，MOSFET 放大器往往不總是產(chǎn)生爆米花噪聲。MOSFET 晶體管中的爆米花噪聲表現(xiàn)為閾值電壓的一個(gè)階躍。在運(yùn)算 放大器中，其將表現(xiàn)為電壓噪聲。

電壓爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及生產(chǎn)測(cè)試

在本文中，我們將討論如何實(shí)施爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試和生產(chǎn)測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試是小批量樣片器件測(cè)試工程實(shí)驗(yàn)室中的一種 測(cè)試方法。生產(chǎn)測(cè)試是使用自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備對(duì)大批量器件進(jìn)行測(cè)試的一種測(cè)試方法。這兩種測(cè)試方法之間的主要不同之處在于生 產(chǎn)測(cè)試需要的測(cè)試時(shí)間較短（通常為 t ≤ 1 秒）。生產(chǎn)測(cè)試時(shí)間需要較短的時(shí)間是因?yàn)樯a(chǎn)測(cè)試時(shí)間成本非常高昂。在許多情況下， 測(cè)試成本與半導(dǎo)體裸片的成本相當(dāng)。

圖 8.5 顯示了測(cè)量一款運(yùn)算放大器 (U1) 電壓爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置。需要注意的是，該放大器的非反相輸入被接地，因此該 放大器的噪聲及 DC 輸出為增益乘以偏移，該噪聲進(jìn)而被 U2 放大。請(qǐng)注意，U1 和 U2 的增益均被設(shè)定為 100，即總增益為 100x100 = 10,000。這是一個(gè)典型的爆米花噪聲測(cè)量增益設(shè)置；但是，您可能會(huì)需要對(duì)這一設(shè)置進(jìn)行調(diào)整，以適用于您的應(yīng)用。

U2 輸出端的低通濾波器將帶寬限制在 100Hz。該濾波器消除了較高頻率噪聲，并顯示出爆米花噪聲（如果沒(méi)有出現(xiàn)爆米花噪聲 則為 1/f 噪聲）。根據(jù)具體應(yīng)用，可以在 10Hz 到 1000Hz 的范圍內(nèi)，對(duì)這種濾波器進(jìn)行調(diào)節(jié)。一個(gè) 10Hz 低通濾波器具有一些衰減 60Hz 拾取的優(yōu)點(diǎn)。但是，其也有模糊一些高頻率猝發(fā)的缺點(diǎn)。一個(gè) 1000Hz 低通濾波器將捕獲高頻率猝發(fā)，但同時(shí)也開(kāi)始含有極大 的寬帶噪聲。100Hz 濾波器是一款介于 10Hz 和 1000Hz 濾波器的折中方案。但是，您可能想通過(guò)做實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察使用哪一種可以獲得 測(cè)量的最佳結(jié)果。

圖 8.5 測(cè)量運(yùn)算放大器電壓爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

U2 之后是一個(gè) 0.003Hz 的 HPF。該濾波器是使用一個(gè)陶瓷電容器和示波器輸入阻抗構(gòu)建而成的。需要注意的是，并聯(lián)的數(shù)個(gè)小 陶瓷電容器可用于構(gòu)建大陶瓷電容器（例如：4 x 5uF）。該高通濾波器用于消除 DC 偏移，這種偏移將可能會(huì)比測(cè)量出的噪聲大得多 。使用這種濾波器將允許使用最佳示波器范圍測(cè)量出噪聲信號(hào)。在本例中，DC 輸出偏移大約為 2V，該噪聲擁有一個(gè) 340mVpp 的幅 度。0.003Hz HPF 不但去除了 2V DC 組件，而且還允許您在 200mV 示波器刻度上觀察 340mVpp 信號(hào)。

利用輸入偏移并將其與總增益相乘，您就可以輕松地估計(jì)出可能的輸出偏移。圖 8.6 顯示了這種計(jì)算方法。需要注意的是，該輸 出偏移沒(méi)有將運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)至電源軌（本例為 +/-15V）。如果輸出偏移接近電源軌，那么您將有必要減少增益或 U1 和 U2 之間的 AC 耦合。還需要注意的是，當(dāng)該電路首次被上電時(shí)，將需要對(duì)濾波器電容 C2 充電至輸出偏移電壓，這樣將需要大量的時(shí)間（大約 為 5 分鐘）。圖 8.6 還給出了充電時(shí)間的計(jì)算方法。

圖 8.6 運(yùn)算放大器電壓爆米花噪聲試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的相關(guān)計(jì)算

圖 8.7 顯示了測(cè)量運(yùn)算放大器 (U1) 電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設(shè)置。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試設(shè)置和生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置之間的主要區(qū)別在于生產(chǎn)測(cè)試 中采用了數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器使用數(shù)學(xué)方法來(lái)過(guò)濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長(zhǎng)充電時(shí)間。這樣 就保持了較短的測(cè)試時(shí)間（也即低了成本）。在本例中，該測(cè)試設(shè)備使用一個(gè)可編程增益放大器 (PGA) 來(lái)將噪聲放大到一個(gè)容易測(cè) 量的級(jí)別。基架 DAC 可以被用于消除輸出偏移。該最終測(cè)試方法是許多生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)的典型方法。但是，這些方法將隨系統(tǒng)的不同 而各異。

圖 8.7 測(cè)量電壓爆米花噪聲的生產(chǎn)設(shè)置

電流爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試及生產(chǎn)測(cè)試

圖 8.8 顯示了測(cè)量一個(gè)放大運(yùn)算器 (U1) 的電流爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置。請(qǐng)注意，一個(gè) 1MΩ 電阻器與兩個(gè)輸入端串聯(lián)。該 1MΩ 電阻器放大了電流噪聲，從而使其成為輸出端的主要噪聲。請(qǐng)注意，該配置將會(huì)找出兩個(gè)輸入端上的爆米花噪聲。由于噪聲可能與 任何輸入端相關(guān)聯(lián)，因此這一點(diǎn)是很重要的。兩個(gè)輸入端都應(yīng)進(jìn)行檢查。圖 8.9 圖解說(shuō)明了電流噪聲與輸入電阻呈線性增長(zhǎng)，同時(shí)， 熱噪聲與輸入電阻的平方根成比例地增長(zhǎng)。因此，如果您將輸入電阻增加到一定值，您就可以使電流噪聲成為主要噪聲。圖 8.10 給 出了一些方程式，以幫助您選擇一個(gè)使電流噪聲成為主要噪聲的輸入電阻。

圖 8.8 測(cè)量儀表放大器電流爆米花噪聲的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

圖 8.9 噪聲隨著輸入電阻呈線性增長(zhǎng)

圖 8.10 選擇輸入電阻的方程式

請(qǐng)注意，圖 8.8 所示用于測(cè)量電流爆米花噪聲的電路并不需要次級(jí)增益，這是因?yàn)檩斎腚娮杵骺梢杂米麟娏髟肼暫推秒娏鞯?一個(gè)增益。電流噪聲測(cè)量電路具有與應(yīng)用于電壓噪聲電路一樣的濾波器。0.003Hz 的高通濾波器消除了 DC 輸出偏移。DC 輸出偏移 一般是由流經(jīng)輸入電阻器的偏置電流產(chǎn)生的。位于 U1 輸出端的低通濾波器將帶寬限制為 100Hz。該濾波器不但消除了較高頻率的 噪聲，而且還可以顯示出爆米花噪聲（如果沒(méi)有任何爆米花噪聲，則顯示為 1/f 噪聲）。圖 8.11 給出了與圖 8.8 中所示電流爆米花噪 聲測(cè)量電路相關(guān)的濾波器的計(jì)算方式。

圖 8.11 相關(guān)濾波器的計(jì)算方式

圖 8.12 顯示了用于測(cè)量一個(gè)運(yùn)算放大器 (U1) 電流爆米花噪聲的生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試設(shè)置與生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置之間主要的區(qū) 別在于生產(chǎn)測(cè)試中使用了數(shù)字濾波器，該數(shù)字濾波器使用數(shù)學(xué)方法過(guò)濾數(shù)字化數(shù)據(jù)。因此，這些數(shù)字濾波器不具備模擬濾波器的長(zhǎng) 充電時(shí)間，這樣就保持了較短的測(cè)試時(shí)間。

圖 8.12 測(cè)量電流爆米花噪聲的生產(chǎn)測(cè)試設(shè)置

爆米花噪聲數(shù)據(jù)分析

在此章節(jié)我們將推薦幾種用于分析低頻噪聲并確定是否有爆米花噪聲方法。所使用的分析技術(shù)獨(dú)立于用于測(cè)量數(shù)據(jù)的電路結(jié) 構(gòu)。工程師一般用定性方法都能檢測(cè)出一個(gè)示波器波形，并確定一個(gè)信號(hào)是否具有爆米花噪聲。我們還將介紹如何用定性方法確定 爆米花噪聲。此外，我們將討論如何設(shè)置爆米花噪聲以及 1/f 噪聲的通過(guò)/失敗極限。

圖 8.13 顯示了一個(gè)典型的無(wú)爆米花噪聲的時(shí)域噪聲信號(hào)。該信號(hào)的截止頻率為 300Hz。因此，該噪聲為 1/f 噪聲和寬帶噪聲的一 個(gè)綜合噪聲。噪聲信號(hào)左側(cè)的柱狀圖用于強(qiáng)調(diào)該噪聲電壓為高斯分布型。圖 8.14 顯示了更詳細(xì)的典型噪聲高斯分布。

圖 8.13 1/f噪聲和寬帶噪聲的綜合噪聲

圖 8.14 標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲相關(guān)的高斯分布

圖 8.15 顯示了一個(gè)典型的帶有爆米花噪聲的時(shí)域噪聲信號(hào)。該信號(hào)的截止頻率為 300Hz。噪聲信號(hào)左側(cè)的柱狀圖用于強(qiáng)調(diào)該噪 聲電壓為非高斯分布型。圖 8.16 顯示了與圖 8.15 中所示的相同的波形，劃圈和箭頭部分用于強(qiáng)調(diào)爆米花信號(hào)躍至離散模式。就這 個(gè)特例而言，出現(xiàn)了三個(gè)離散噪聲級(jí)，在該分布圖中產(chǎn)生了三種模式。如欲了解典型非高斯噪聲分布的更多詳情，敬請(qǐng)參閱圖 8.17。

圖 8.15 爆米花噪聲的時(shí)域信號(hào)

圖 8.16：時(shí)域爆米花噪聲信號(hào)的柱狀圖

圖 8.17 時(shí)域爆米花噪聲信號(hào)的柱狀圖

因此，確定一個(gè)信號(hào)是否有爆米花噪聲的一個(gè)方法就是查看一個(gè)非高斯分布圖。我們?cè)诖藢⒉粚?duì)用于測(cè)試一個(gè)分布為高斯或非 高斯分布的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行介紹。相反我們將主要精力集中在可以查找與一個(gè)噪聲信號(hào)邊緣相關(guān)的較大突變的技術(shù)上。找到一個(gè)信 號(hào)突變的一般方法是取該信號(hào)的導(dǎo)數(shù)。圖8.18 顯示了當(dāng)爆米花信號(hào)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換時(shí)，爆米花噪聲信號(hào)的導(dǎo)數(shù)如何產(chǎn)生較大的尖峰。 圖 8.19 顯示了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲的導(dǎo)數(shù)。圖 8.19 中的噪聲只有寬帶和閃爍爆米花噪聲，即無(wú)爆米花噪聲。請(qǐng)注意，取寬帶和閃爍噪 聲的導(dǎo)數(shù)并不會(huì)出現(xiàn)較大的尖峰。

圖 8.18 爆米花噪聲信號(hào)的導(dǎo)數(shù)

圖 8.19 標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲的導(dǎo)數(shù)

花噪聲柱狀圖在離群值較大的柱 (outlying bin) 中具有大量的計(jì)數(shù)。這些離群值柱與導(dǎo)數(shù)中的尖峰相對(duì)應(yīng)。請(qǐng)注意，標(biāo)準(zhǔn)器件的柱 狀圖不具備大量的離群值 (outlier)。就該例子而言，我們查看該分布中 ±4σ 處的離群值。+/-4 標(biāo)準(zhǔn)偏差之外的測(cè)量噪聲的統(tǒng)計(jì)概率為 0.007%。所示的示例柱狀圖中含有 15000 個(gè)樣本，因此我們可以認(rèn)為只有一個(gè)樣本（15000 x 0.007% = 1.05）在這些極限之外。因此， +/- 4σ 極限之外其余的條形柱很可能就是爆米花噪聲。該測(cè)試的極限應(yīng)根據(jù)柱狀圖中的樣本數(shù)量進(jìn)行調(diào)整。

圖 8.20 標(biāo)準(zhǔn)器件和器件爆米花噪聲導(dǎo)數(shù)分布圖

確定器件是否帶有爆米花噪聲的另一種方法是將所測(cè)量的峰至峰噪聲與理想的峰至峰噪聲進(jìn)行對(duì)比。圖 8.21 將一個(gè)帶有爆米 花噪聲的器件的分布圖與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件的分布圖進(jìn)行了對(duì)比。請(qǐng)注意，爆米花噪聲峰至峰值為標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲的6倍。此外，還應(yīng)注意 我們對(duì)比例進(jìn)行了調(diào)整，從而強(qiáng)調(diào)了爆米花噪聲的非高斯特性。請(qǐng)記住，不規(guī)則的強(qiáng)低頻噪聲是爆米花噪聲比較明顯的指示，但是 沒(méi)有必要證明存在爆米花噪聲。但是，具有不規(guī)則高噪聲級(jí)別的器件肯定都有故障，無(wú)論這些器件是否具有爆米花噪聲。

圖 8.21：標(biāo)準(zhǔn)器件峰至峰噪聲與器件峰至峰爆米花噪聲的對(duì)比

設(shè)置爆米花噪聲測(cè)試極限

本文推薦了兩種用于篩選出爆米花噪聲的方法。第一種方法是取噪聲信號(hào)的導(dǎo)數(shù)，并找出分布圖中的離群值。該測(cè)試建議的極 限為 +/-4 標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，如果該導(dǎo)數(shù)中任何一點(diǎn)超出 +/- 4 標(biāo)準(zhǔn)偏差，則可認(rèn)為該器件出現(xiàn)故障。

第二種方法是查看峰至對(duì)峰噪聲。該測(cè)試極限的設(shè)置使用噪聲系列文章第 7 部分中的最差情況噪聲準(zhǔn)則，圖 8.22 以圖表方式總 結(jié)了這些準(zhǔn)則。最差情況的經(jīng)驗(yàn)法則描述了譜線密度曲線如何隨著工藝變化而變化。使用第 3 和第 4 部分所提及的方法，及最差情 況譜線密度曲線，您可以估測(cè)出最差情況下的理想噪聲，最差情況下的理想噪聲為利用標(biāo)準(zhǔn)器件預(yù)測(cè)出的最大噪聲。與最差情況極 限相比，具有爆米花噪聲的器件一般都具有更大的噪聲。峰至峰噪聲極限應(yīng)設(shè)置為最差情況估值。不滿(mǎn)足這些極限的器件可能具有 爆米花噪聲，或超高閃爍噪聲。出現(xiàn)任何一種情況均可認(rèn)為這些器件出現(xiàn)了故障。

圖 8.22 噪聲的最差情況經(jīng)驗(yàn)法則

應(yīng)何時(shí)關(guān)注爆米花噪聲？

在慢傳輸信號(hào)的低頻應(yīng)用（fc < 1kHz）中，應(yīng)對(duì)爆米花噪聲予以關(guān)注。例如，醫(yī)學(xué)腦電圖（EEG，腦掃描）中的頻率范圍和波形很難 辨別出爆米花噪聲。圖 8.23 顯示了典型的 EEG 波形。地震觀測(cè)也是一些慢傳輸 DC 信號(hào)，其也很難辨別出爆米花噪聲。在一些音頻 應(yīng)用中，普遍認(rèn)為爆米花噪聲是一種特別令人厭惡的噪聲。

圖 8.23 典型的 EEG 波形

爆米花噪聲通常表現(xiàn)為一個(gè)電流噪聲。因此，高源阻抗應(yīng)用可能對(duì)爆米花噪聲更為敏感。圖 8.24 顯示了輸入阻抗如何影響爆米 花噪聲的幅度。但是，請(qǐng)記住，在一些情況下，內(nèi)部電流噪聲將轉(zhuǎn)換成器件的內(nèi)部電壓噪聲。

圖 8.24 受源阻抗影響的電流爆米花噪聲

在一些情況下，寬帶噪聲可能使爆米花噪聲不那么明顯。圖 8.25 顯示了同一器件的兩種不同帶寬。請(qǐng)注意，圖 8.25 中的兩個(gè)波 形都含有爆米花噪聲，但是在寬帶寬情況下，白噪聲使爆米花噪聲不那么明顯。

圖 8.25 高帶寬下被白噪聲模糊化的爆米花噪聲

總結(jié)與展望

在本文中我們討論了如何測(cè)量和分析爆米花噪聲。在第 9 部分中我們將著重講述 1/f 噪聲，以及如何使用自動(dòng)歸零放大器拓?fù)?來(lái)消除 1/f 噪聲。