這是一篇由兩部分組成的連載文章的第一部分，介紹了一些基本概念，以便于你著手考慮低噪聲設(shè)計(jì)。 　　

要點(diǎn) 　　

● 要將器件噪聲、失真和干擾信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)。它們各有自己的來(lái)源、預(yù)防措施和補(bǔ)救措施�！　�

● 有源器件和電阻器都有多種噪聲分布。要使自己熟悉各種噪聲源，以及引起噪聲的電路運(yùn)行參數(shù)�！　�

● 在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，信號(hào)的源阻抗可以確定評(píng)估噪聲幅度的背景。　　

● 如果把一些可以換算的數(shù)值記憶在腦海里，你就可以隨手對(duì)熱噪聲進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的估算。

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噪聲是許多信號(hào)處理系統(tǒng)的基本制約因素。同樣，它是許多電子設(shè)計(jì)，特別是接口電路的主要制約條件。在測(cè)試與測(cè)量、醫(yī)學(xué)成像和高速數(shù)據(jù)通信等方面的行業(yè)趨向都需要越來(lái)越高的信息密度。與此同時(shí)，半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)處理速度和功能密度，但卻要降低工作電源電壓，由此降低信號(hào)幅度。結(jié)果是，加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)模擬前端噪聲性能進(jìn)行管理的壓力。

　系統(tǒng)地探討像噪聲這樣繁雜的課題是件難辦的事情，而且不是幾頁(yè)篇幅就可以說(shuō)得清楚的。edn 為了努力擴(kuò)展這一討論的范圍，請(qǐng)幾家在低噪聲器件和電路設(shè)計(jì)方面具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)的半導(dǎo)體制造廠提供相互關(guān)聯(lián)的應(yīng)用說(shuō)明和技術(shù)文章。這些資源都能在 edn 網(wǎng)站的模擬技術(shù)資源部分找到。這些相關(guān)信息的集合就可以作為進(jìn)一步了解這一課題的動(dòng)態(tài)信息來(lái)源。

　如果你自己對(duì)這一課題進(jìn)行研究，那你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，許多文獻(xiàn)資料把所有不需要的信號(hào)（來(lái)自外部的和存在于電路內(nèi)部的）都?xì)w入噪聲這一大類(lèi)。但是設(shè)計(jì)師對(duì)外部和內(nèi)部這類(lèi)噪聲采取的預(yù)防和補(bǔ)救措施則是大不相同的。你不能忽視任何一類(lèi)噪聲，但本文著重討論信號(hào)路徑內(nèi)部的噪聲源。也就是說(shuō)，良好的低噪聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要充分考慮電路工作環(huán)境內(nèi)的干擾。（見(jiàn)附文《外部因素》）�！　�

隨機(jī)事件，可預(yù)測(cè)的形狀 　　

電子元件通過(guò)不同的噪聲源機(jī)制產(chǎn)生三種噪聲譜的組合。各個(gè)噪聲源項(xiàng)分別表示平帶噪聲、1/f 噪聲或1/f2 噪聲：

　　式中， pn(f) 是噪聲源的功率譜密度——即中心頻率為 f 的 1hz 帶寬的平均功率，c 是恒定幅度（參考文獻(xiàn) 1）�！　榱瞬慌c噪聲譜的形狀相混淆，給出的功率譜密度是一個(gè)單位為瓦/赫的函數(shù)，從而可以通過(guò)求某個(gè)帶寬內(nèi)的密度積分，計(jì)算出某一頻帶內(nèi)的 rms 噪聲功率：

然而，大多數(shù)有源電路都是將信號(hào)作為電流或電壓來(lái)處理的。例如，雙極晶體管是跨導(dǎo)器件：它產(chǎn)生的輸出信號(hào)電流是與輸入信號(hào)電壓相對(duì)應(yīng)的。為了能對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行快速比較，一般都用每根赫的電壓或每根赫的電流來(lái)表示噪聲譜密度。

　在產(chǎn)生這三種常見(jiàn)噪聲譜的機(jī)制中，最常見(jiàn)的機(jī)制產(chǎn)生平帶（flatband）噪聲，也稱(chēng)白噪聲，因?yàn)樵肼暪β适蔷鶆虻胤峙湓谡麄�(gè)頻譜范圍內(nèi)，就像白光均勻分布在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)一樣。平帶噪聲源產(chǎn)生散粒噪聲（或叫肖特基噪聲）和熱噪聲（也稱(chēng)約翰遜噪聲，為的是紀(jì)念物理學(xué)家 john bertrand johnson 于 1928 年發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象）。雖然這兩種噪聲的頻譜是難以區(qū)分的，但作為電路工作條件的函數(shù)，散粒噪聲源和約翰遜噪聲源的行為則是不同的�！　�

散粒噪聲無(wú)處不在 　

　散粒噪聲是由電子通過(guò)一個(gè)勢(shì)壘的離散量子性質(zhì)產(chǎn)生的。它通常與二極管和雙極晶體管有關(guān)。電流可以按直流電大小給定的穩(wěn)定平均速率通過(guò)一個(gè)pn結(jié)，但各個(gè)載流子只有當(dāng)它們具有足夠能量來(lái)克服pn結(jié)勢(shì)壘時(shí)，才能作為隨機(jī)事件穿過(guò)pn結(jié)（參考文獻(xiàn) 2）。在極限情況下，電流被量子化為電子能級(jí)，所以平均電流就包含大量的離散事件。

　散粒噪聲計(jì)算公式如下：

　其單位是安培均方根值，式中 q 為電子電荷(1.6×10-19c)，id 為正向結(jié)電流， δf 是測(cè)量帶寬（圖 1）。從式中可以看出，散粒噪聲與結(jié)電流的平方根成正比，而與溫度無(wú)關(guān)。這兩點(diǎn)值得注意。增加偏置電流可能意味著絕對(duì)項(xiàng)中的散粒噪聲會(huì)更高，但電路可以利用與偏置電流線(xiàn)性增長(zhǎng)的關(guān)系——比噪聲增加快得多——低噪聲設(shè)計(jì)中的永恒命題。例如，雙極晶體管的小信號(hào)互導(dǎo) gm 是與集電極電流呈線(xiàn)性關(guān)系