第八部分：爆米花噪聲（二）

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。

爆米花噪聲數(shù)據(jù)分析

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 8.15 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。

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 8.20 將爆米花噪聲導(dǎo)數(shù)的柱狀圖與標(biāo)準(zhǔn)器件噪聲導(dǎo)數(shù)的柱狀圖作了比較。爆米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。

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。

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。

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。

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。

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)鋪?lái)消除 1/f 噪聲。

感謝

特別感謝 TI 的技術(shù)人員，感謝他們?cè)诩夹g(shù)方面所提供的真知灼見(jiàn)。這些技術(shù)人員包括：

•    高級(jí)模擬 IC 設(shè)計(jì)經(jīng)理 Rod Burt
•    線性產(chǎn)品經(jīng)理 Bruce Trump
•    應(yīng)用工程經(jīng)理 Tim Green
•    測(cè)試工程經(jīng)理 Scott Gulas

參考書(shū)目

《模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)》，作者：Paul R. Gray 與 Robert G. Meyer，第三版，由 Hamilton Printing Company 出版。

作者簡(jiǎn)介：
Arthur Kay 現(xiàn)任 TI 高級(jí)應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器件的支持工作。他于 1993 年畢業(yè)于喬治亞理工學(xué)院 (Georgia Institute of Technology)，獲電子工程碩士學(xué)位。他曾在 Burr-Brown 與 Northrop Grumman 公司擔(dān)任過(guò)半導(dǎo)體測(cè)試工程師。