引言

管理信號鏈噪聲系列文章分為三部分，本文為第一部分。這里，我們主要討論所有IC中常見的半導體噪聲特征，介紹器件數據手冊如何給出這些參數，如何估算實際條件下數據手冊未給出的電壓基準噪聲。我們在第二部分將討論數據轉換器特有的噪聲源和失真，并介紹在其數據手冊如何體現這些特性。第三部分對第一和第二部分進行了總結，向讀者介紹如何優化噪聲預算以及根據具體應用選擇最合適的數據轉換器。

電路設計發展到今天，理解電信號噪聲比以往任何時候都重要。隨著14位和16位數據轉換器逐漸成為主流，18位和24位轉換器也日益增多，噪聲往往是限制系統性能的唯一因素。顯而易見，理解IC內部所產生噪聲的根源和特征是系統實現最高精度的關鍵。

人人都對噪聲反感，但模擬設計工程師對其尤其感到頭疼。一般而言，噪聲是指信號鏈路中所有有害的電信號。根據來源的不同，噪聲可分為外部(干擾)噪聲和內部(固有)噪聲，如下圖(圖1)信號鏈框圖所示，所有內部噪聲源(Vint)組合到信號鏈的輸出端，所有外部噪聲源(Vext)組合到信號鏈的輸入端。

圖1：信號鏈噪聲。

對設計者來說，理解內部半導體噪聲的來源和特征非常重要，包括熱噪聲、散粒噪聲、雪崩噪聲、閃爍噪聲和跳躍噪聲，以及數據轉換器特有的噪聲，例如量化噪聲、孔徑抖動和諧波失真。設計者也必須了解該噪聲是可預防的還是不可避免的;如果能夠預防，那么如何預防。

半導體器件內部噪聲

所有電子元件本質上都會產生噪聲，包括所有半導體器件和電阻。我們首先討論噪聲的一般特性，然后討論常見噪聲源的類型和特征，接下來我們將學習如何查找和解讀數據資料中的噪聲指標。通過利用這些信息計算電壓基準在其數據手冊中未指定的條件下的輸出噪聲，從而得出結論。

噪聲特性

下文中介紹半導體噪聲的性質以及如何表述半導體器件的噪聲。

噪聲幅值

所有半導體噪聲源都來自于隨機過程，所以噪聲的瞬時幅值是不可預測的，噪聲幅值表現為高斯(正態)分布。

圖2：高斯噪聲分布。

注意，噪聲的RMS值(Vn)為噪聲分布的標準方差(σ)。隨機噪聲的RMS與峰值電壓的關系為：

任何信號的峰-峰值與RMS電壓之比(VnP-P/VnRMS)稱為峰均比。式1中的6.6是常用的峰均比，這是因為，從概率上講，高斯噪聲源在0.10%時間內產生的峰峰電壓是RMS電壓的6.6倍;如圖2所示噪聲電壓密度曲線下的陰影面積，超過±3.3σ的概率是0.001。有一點非常重要，相關信號線性相加，而隨機信號(比如噪聲)以方和根(RSS)的形式幾何相加。