第六章-双极型晶体管的噪声特性

1、半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性Physics of Semiconductor Devices2007,3,30半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2 2q噪声与噪声系数噪声与噪声系数q晶体管的噪声源晶体管的噪声源q电子器件和放大器的噪声等效电路电子器件和放大器的噪声等效电路q降低器件本身噪声的方法降低器件本身噪声的方法q常见噪声、干扰的简单识别方法常见噪声、干扰的简单识别方法半导体器件物理半导体器

2、件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性3 3 噪声噪声是指落入信息信号通带内的任何不需要的信号是指落入信息信号通带内的任何不需要的信号图图1 噪声对信号的影响噪声对信号的影响 干扰干扰由系统外部产生的噪声由系统外部产生的噪声 失真失真由系统电路产生的由系统电路产生的线性失真和非线性失真线性失真和非线性失真6.1 噪声与噪声系数噪声与噪声系数半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性4 4噪声噪声非相关噪声非相关噪声:相关噪声相关噪声:

3、无论信息信号是否出现无论信息信号是否出现,在任何在任何时间都存在时间都存在仅在信息信号出现时产生，信仅在信息信号出现时产生，信号的失真和无用信号的干扰等号的失真和无用信号的干扰等都属于相关噪声。都属于相关噪声。非相关噪声还可以划分为外部噪声和内部噪声两大类。非相关噪声还可以划分为外部噪声和内部噪声两大类。1、外部噪声：、外部噪声：其主要来源有：其主要来源有：大气噪声大气噪声、宇宙噪声宇宙噪声和和人为噪声人为噪声(工业干扰工业干扰)。外部噪声又称外界环境噪声，它是通过通信系统的天线进外部噪声又称外界环境噪声，它是通过通信系统的天线进入而形成干扰的。入而形成干扰的。 半导体器件物理半导体器件物理南

4、京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性5 5图图2 多种源的平均无线电噪声功率谱密度，确定了通信接收机的噪声系数多种源的平均无线电噪声功率谱密度，确定了通信接收机的噪声系数半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性6 62、内部噪声、内部噪声: 内部噪声主要来自通信系统内部电路器件，电路中内部噪声主要来自通信系统内部电路器件，电路中的电阻是无源器件噪声源，而二极管、晶体三极管和场的电阻是无源器件噪声源，而二极管、晶体三极管和场效应管等则是有源

5、器件噪声源。效应管等则是有源器件噪声源。 这些噪声源所产生的噪声可分为这些噪声源所产生的噪声可分为热噪声热噪声、散粒噪声散粒噪声、 1/f噪声噪声、分配噪声分配噪声和和闪烁噪声闪烁噪声等。等。 散粒噪声、分配噪声和闪烁噪声等是由有源器件产散粒噪声、分配噪声和闪烁噪声等是由有源器件产生的。生的。 热噪声则在无源和有源器件中都会出现。热噪声则在无源和有源器件中都会出现。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性7 7噪声系数噪声系数 用信号功率用信号功率S与噪声功率与噪声功率N之比，即之比，即信噪比信噪比S

6、N来衡量信来衡量信号的质量。号的质量。信噪比信噪比SN越大，信号质量越好。越大，信号质量越好。定义输入信噪比和输出信噪比的比值为定义输入信噪比和输出信噪比的比值为噪声因数噪声因数F，即，即ooiiNSNSF 输入信噪功率比输入信噪功率比 输出信噪功率比输出信噪功率比 F表明电路的噪声性能表明电路的噪声性能半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性8 8 将噪声因数将噪声因数F用对数表示，就是用对数表示，就是噪声系数噪声系数NF，即，即FNFlg10 ooiiNSNSlg10 噪声系数噪声系数NF表明当一个

7、信号从电路的输入传到输出表明当一个信号从电路的输入传到输出端时，信噪比恶化的程度。例如，噪声系数为端时，信噪比恶化的程度。例如，噪声系数为3dB的放大器的放大器表明输出端的信噪比比输入端小表明输出端的信噪比比输入端小3dB。对一个理想的无噪声对一个理想的无噪声放大器，放大器，噪声因数噪声因数F=1，噪声系数噪声系数NF=0dB。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性9 9多级级联电路总多级级联电路总噪声系数的计算噪声系数的计算设设输入、输出信号功率为输入、输出信号功率为Si 、So，输入、输出噪声功率

8、为，输入、输出噪声功率为Ni 、No。第一级的输入噪声。第一级的输入噪声Ni1和第二级的输入噪声和第二级的输入噪声Ni2分别是各级分别是各级电路内电阻产生的热噪声功率，即电路内电阻产生的热噪声功率，即Ni1=Ni2= kTB。第一级的输出噪声功率第一级的输出噪声功率:1111AioNNGN 1111 )1 (iANGFN 第一级电路的第一级电路的内部噪声功率内部噪声功率: : 第一级电路的噪声因数第一级电路的噪声因数 ioSSG11 第一级的功率增益第一级的功率增益 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声

9、特性1010 同理，可求得同理，可求得第二级电路的内部噪声功率第二级电路的内部噪声功率 :2222)1(iANGFN 第一级电路的内部噪声功率第一级电路的内部噪声功率: 两级的输出噪声功率两级的输出噪声功率: : 212121AAioNNGNGGN 1111 )1 (iANGFN 2221211)1(iiNGFNGGF 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1111 推广，推广，n级级联电路的总噪声因数级级联电路的总噪声因数 :两级级联电路总噪声因数两级级联电路总噪声因数: 1211GFFF )1(2

10、1213121111 nnGGGFGGFGFFF结论：为了降低多级电路总噪声系数，往往要尽量降低第一级、结论：为了降低多级电路总噪声系数，往往要尽量降低第一级、第二级的噪声系数。这就是接收机的前端放大器（第一级或第二第二级的噪声系数。这就是接收机的前端放大器（第一级或第二级电路）必须采用低噪声放大器的原因。级电路）必须采用低噪声放大器的原因。 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1212噪声温度噪声温度电路的噪声温度是用以表征该电路噪声特性的一个理电路的噪声温度是用以表征该电路噪声特性的一个理想温度

11、，与噪声系数具有固定的转换关系。想温度，与噪声系数具有固定的转换关系。规定右图中规定右图中 为信号源内阻为信号源内阻 在假想在假想温度温度 时产生的噪声电压均方值，时产生的噪声电压均方值， 该该假想温度假想温度 即为电路的噪声温度。即为电路的噪声温度。2eusReTeT半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性13130(1)eTFT其中其中 为电路实际温度为电路实际温度0T当电路内部噪声较大时，用噪声系数描述较方便，可以避免很当电路内部噪声较大时，用噪声系数描述较方便，可以避免很长的数字；当电路内部噪声

12、较小时，用噪声温度描述电路的噪长的数字；当电路内部噪声较小时，用噪声温度描述电路的噪声特性具有较大优越性。声特性具有较大优越性。注意：以上分析只有当电路产生的噪声也是白噪声时才正确。注意：以上分析只有当电路产生的噪声也是白噪声时才正确。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性14146.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源晶体管中，主要三种噪声源：晶体管中，主要三种噪声源：热噪声热噪声、散粒噪声散粒噪声、1/1/f噪声。噪声。 1、热噪声、热噪声: 热噪声热噪声(布朗噪声布朗噪声)由电阻由电阻(或导体或导体

13、)内的自由电子热运内的自由电子热运动产生的。自由电子的热运动是随机运动。动产生的。自由电子的热运动是随机运动。 1927年贝尔实验室的约翰逊（年贝尔实验室的约翰逊（JBJohnson）通过实）通过实验证明了热噪声的平均功率正比于带宽和温度的乘积验证明了热噪声的平均功率正比于带宽和温度的乘积:kTBN N噪声功率（即噪声平均功率，单位噪声功率（即噪声平均功率，单位W）；）；B带宽（带宽（Hz）；）；KJk/1038. 123 T绝对温度（绝对温度（K）（室温）（室温=27+273=300K）在绝对温度为零时，没有自由电子随机运动，即热噪声为零。在绝对温度为零时，没有自由电子随机运动，即热噪声为零

14、。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1515 工程中噪声功率常用对数函数功率单位工程中噪声功率常用对数函数功率单位dBm表示，一个表示，一个dBm的对数函数表达式为：的对数函数表达式为： 001. 0lg10)(kTBNdBm 由式中可知，由式中可知，1mV功率为功率为0dBm。N1mw时，时，dBm为正，为正，N1mw时，则时，则dBm为负值。为负值。BkTlg10001. 0lg10 在室温在室温17，对任何带宽的噪声功率可用下式计算，对任何带宽的噪声功率可用下式计算)(lg10174 )(m

15、dBmdBBN 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1616 001. 0lg10)(kTBNdBm BkTlg10001. 0lg10 讨论讨论: 1、在整个频段内，当温度一定时，在固定带宽的任何、在整个频段内，当温度一定时，在固定带宽的任何频率范围，其热噪声功率是个定值。频率范围，其热噪声功率是个定值。热噪声热噪声的功率的功率在频谱上是均匀分布在频谱上是均匀分布的的白噪声白噪声 2、N是指是指热噪声源的额定输出功率热噪声源的额定输出功率，即电阻热噪声源可，即电阻热噪声源可能输出的最大功率。能输出

16、的最大功率。N仅与温度（仅与温度（T）和通带（）和通带（B）有关，与本身电阻和负载无关）有关，与本身电阻和负载无关 半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1717功率谱密度与噪声带宽功率谱密度与噪声带宽 在最坏情况下，噪声功率传在最坏情况下，噪声功率传送到负载送到负载R上的条件是上的条件是R=RN 噪声源等效电路噪声源等效电路RURUkTBNNN4)2(22 噪声电压均方值噪声电压均方值:kTRBUN42 在单位带宽（在单位带宽（1Hz）内的噪声电压均方值：）内的噪声电压均方值：kTRUN42 电压均

17、方电压均方频谱密度频谱密度电阻热噪声的电阻热噪声的功率谱密度功率谱密度S(f )半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1818 由于由于带通带通线性系统的滤波作线性系统的滤波作用，滤除了热噪声中的一部用，滤除了热噪声中的一部分频率分量，使其频率发生分频率分量，使其频率发生了变化了变化，功率频谱密度变成，功率频谱密度变成了频率的函数。了频率的函数。 图图4 热噪声通过线性电路对功率频谱密热噪声通过线性电路对功率频谱密度的变化度的变化系统输出端的噪声电压均方值：系统输出端的噪声电压均方值：dffHfSdf

18、fSUioNo 0202)()()(半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性1919 工程中将系统功率传输函数工程中将系统功率传输函数H2(f )曲线与曲线与f 轴之间的面积与功轴之间的面积与功率传输函数的比值定义为率传输函数的比值定义为BN，即，即 图图5 等效噪声带宽示意图等效噪声带宽示意图dffHfSdffSUioNo 0202)()()(等效噪声带宽等效噪声带宽)()(202oNfHdffHB 为为f = fo时的时的功率传输函数值功率传输函数值半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与

19、工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2020 NoNoBfkTRHU)(422 电阻热噪声通过带通线性系统后，其输出电压均方值是电阻热噪声通过带通线性系统后，其输出电压均方值是热噪声功率谱密度热噪声功率谱密度S(f )与功率传输函数与功率传输函数H2(f )和等效噪声带宽和等效噪声带宽BN的乘积。的乘积。 电阻热噪声或在有效带宽内功率分布均匀的噪声，都可以电阻热噪声或在有效带宽内功率分布均匀的噪声，都可以由上式来求得输出噪声电压均方值。由上式来求得输出噪声电压均方值。 如晶体三极管的发射区、基区和集电区的半导体体电阻和如晶体三极管的发射区、基区和集

20、电区的半导体体电阻和三个极的引线电阻等都会产生热噪声、场效应管的沟道热噪三个极的引线电阻等都会产生热噪声、场效应管的沟道热噪声等声等半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性21212 2、散粒噪声散粒噪声是电子管和晶体管器件中产生的一种电流噪声，是载流子不均是电子管和晶体管器件中产生的一种电流噪声，是载流子不均匀通过势垒区时造成的电流微小起伏。匀通过势垒区时造成的电流微小起伏。在场效应管中，主要导电电流不流经势垒，只是结型场效应管在场效应管中，主要导电电流不流经势垒，只是结型场效应管栅极反向电流通过栅极

21、反向电流通过PNPN结，有不大的散粒噪声。结，有不大的散粒噪声。散弹噪声具有白噪声性质，散弹噪声具有白噪声性质，电流噪声谱密度为：电流噪声谱密度为：( )2iSfqII：通过势垒电流的通过势垒电流的平均值平均值q：电子电荷电子电荷半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性22223、 1/f 噪声噪声电阻的低频噪声来源于电阻中导电微粒的不连续性，又名闪电阻的低频噪声来源于电阻中导电微粒的不连续性，又名闪烁噪声，或称接触噪声。烁噪声，或称接触噪声。22( )DeKI RSffk：常数，与电阻常数，与电阻材料

22、及制造工艺有材料及制造工艺有关关DI：流过电阻的直流过电阻的直流电流流电流过剩噪声具有很强的低频谱密度，过剩噪声具有很强的低频谱密度，在高频时则强度急剧减小，又名在高频时则强度急剧减小，又名1/f噪声，是低频电子线路中的主噪声，是低频电子线路中的主要噪声源。要噪声源。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2323爆裂噪声实质上是由一系列幅度较大而脉冲宽度又不相等爆裂噪声实质上是由一系列幅度较大而脉冲宽度又不相等的随机脉冲构成的，又名尖峰噪声的随机脉冲构成的，又名尖峰噪声爆裂噪声是由于爆裂噪声是由于半导

23、体材料的缺半导体材料的缺陷陷( (如结晶位错、如结晶位错、重金属杂质凝聚重金属杂质凝聚) )而造成的而造成的1/f 噪声噪声 (爆裂噪声爆裂噪声)主要是由于三极管表面清洁不好或有缺主要是由于三极管表面清洁不好或有缺陷而造成的，其强度还与半导体材料的纯度及外加电压有陷而造成的，其强度还与半导体材料的纯度及外加电压有关。关。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2424在双极型晶体三极管中，由于载流子在基区中的随机复在双极型晶体三极管中，由于载流子在基区中的随机复合过程所引起的合过程所引起的I IB B、

24、I IC C 分配比例变化所产生的噪声即为分配比例变化所产生的噪声即为分配噪声分配噪声。CBII、由于基区复合状态与工作频率有关，因而分配不是白噪声，由于基区复合状态与工作频率有关，因而分配不是白噪声，噪声电流功率谱密度为噪声电流功率谱密度为20220|( )21|21iCcpSfqIor diqICdf半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2525多个噪声源作用于电路时的计算多个噪声源作用于电路时的计算若多个噪声源是相互独立的，则其总效果是个别噪若多个噪声源是相互独立的，则其总效果是个别噪声源单独作

25、用的均方值相加声源单独作用的均方值相加( (即功率相加即功率相加) )。若它们之间不是相互独立无关的，则视其相关程度若它们之间不是相互独立无关的，则视其相关程度不同而有所差别。不同而有所差别。半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2626在低频及中频区，结型场效应管的电流噪声比晶体管的电流在低频及中频区，结型场效应管的电流噪声比晶体管的电流噪声小得多；在高频段时，电流噪声可能变得比晶体管还要大噪声小得多；在高频段时，电流噪声可能变得比晶体管还要大绝缘栅型场效应管一般不适宜作低噪声前放，但在源电阻很绝缘

26、栅型场效应管一般不适宜作低噪声前放，但在源电阻很大时可以采用大时可以采用常用有源器件的噪声性能比较：常用有源器件的噪声性能比较：适当选择晶体管的工作点可使噪声系数达到最小值；但当工适当选择晶体管的工作点可使噪声系数达到最小值；但当工作点降低时，可能使噪声系数减小而信噪比得不到应有的提作点降低时，可能使噪声系数减小而信噪比得不到应有的提高高低噪声放大器中采用稳压管作为电源使用时最好选用齐纳二低噪声放大器中采用稳压管作为电源使用时最好选用齐纳二极管；若在稳压管两端并联大容量电容可进一步减小噪声极管；若在稳压管两端并联大容量电容可进一步减小噪声6.4 6.4 降低器件本身噪声的方法降低器件本身噪声的

27、方法半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2727选用合适的放大电路：三种组态连接的噪声系数差别不大，选用合适的放大电路：三种组态连接的噪声系数差别不大，特别是在低频时差别更小。可根据其他因素确定特别是在低频时差别更小。可根据其他因素确定共射组态可减小后级噪声的影响共射组态可减小后级噪声的影响共集组态有较高的输入阻抗共集组态有较高的输入阻抗共集和共基组态有较好的频率响应共集和共基组态有较好的频率响应半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪

28、声特性双极型晶体管的噪声特性2828空间电磁耦合造成的干扰，根据不同的具体条件，有时静电感应是主要的，空间电磁耦合造成的干扰，根据不同的具体条件，有时静电感应是主要的，有时磁感应是主要的，干扰频率有高有低，从而抑制方法也有所不同有时磁感应是主要的，干扰频率有高有低，从而抑制方法也有所不同, ,对对于静电干扰来说，分布电容越大，干扰信号频率越高，被干扰部件对地阻于静电干扰来说，分布电容越大，干扰信号频率越高，被干扰部件对地阻抗越大，则产生的干扰越严重抗越大，则产生的干扰越严重磁干扰是通过干扰源和被磁干扰是通过干扰源和被干扰部件之间的互感耦合干扰部件之间的互感耦合造成的，电路中的磁性材造成的，电路

29、中的磁性材料元件是重要的磁干扰源。料元件是重要的磁干扰源。带磁芯的电感对磁干扰最带磁芯的电感对磁干扰最敏感敏感半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性2929减小杂散电场和磁场干扰的方法：使电路结构及布线合理化采用屏蔽静电屏蔽采用电导率高的材料更为有效，此时应该将干扰源或被干扰部件接地磁屏蔽以采用高磁导率的材料制作更好，磁屏蔽以采用高磁导率的材料制作更好，其结构可以使将干扰源或被干扰部件用屏其结构可以使将干扰源或被干扰部件用屏蔽罩屏蔽起来，也可以将其隔离蔽罩屏蔽起来，也可以将其隔离对于传输弱信号又处于干扰电磁场中的远距离传输线，可以采用屏蔽线并采用多点接地方式；且露在屏蔽层外的线越短越好还可在合适时，在前置放大器的输入端采用选频滤波器和差动线路来抑制干扰半导体器件物理半导体器件物理南京邮电大学电子科学与工程学院南京邮电大学电子科学与工程学院双极型晶体管的噪声特性双极型晶体