哈工大器件原理 第八章噪声特性

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f L ≈ 500 ~ 1200Hz fH = ( rb re G 1+ + + Rg 2 Rg hFE G ( Rg + rb + re ) 2 2 Rg re ) ⋅ fα
1 2
其中， 其中， G =
Rg为信号源内阻， 为信号源内阻， fα 为共基极截止频率
改善噪声特性： 改善噪声特性： 1、降低白噪声区 、 2、提高高频噪声转角频率 、 rb、fα、hFE
第八章 噪声特性
8.1 晶体管的噪声和噪声系数 8.2 晶体管的噪声源 8.3 双极型晶体管的噪声 8.4 JFET与MESFET的噪声特性 与 的噪声特性 8.5 MOSFET的噪声特性 的噪声特性
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§8.1 晶体管的噪声和噪声系数
一、信噪比 噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力。 噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力。 噪声叠加在不同的信号上将产生不同程度的影响 为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比 为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比 信号， 信号，噪声
q g0 = (I + I R ) kT
p0 p
I = IR (eqV kT −1)
0 n p
IR = A(
qDp p Lp
0 n
+
qD n Ln
)
= A(
0 qDp pn
Lp
+
qDnn0 p Ln
)(eqV kT −1)
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§8.3 双极型晶体管的噪声
二、散粒噪声与噪声电流 2.晶体管散粒噪声 晶体管散粒噪声
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 一、热噪声(Thermal noise) 热噪声 尼奎斯公式 (Nyquist)
2 ith = 4kTG∆f = S i ∆f 2 uth = 4kTR∆f = SV ∆f
2 i sh = 2qI∆f
2 ush = 2kTr0 ∆f
r0（无噪声 无噪声) ~ ush = 2kTr0 ∆f
r0（无噪声 无噪声)
i sh = 2qI∆f
其功率谱密度与频率 无关，也属白噪声。 无关，也属白噪声。
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 复合噪声(1/f 噪声 噪声) 三、产生-复合噪声 产生 复合噪声 (Generation-recombination noise)——半导体器件特有的噪声 半导体器件特有的噪声 由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称 噪声 噪声。 由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称1/f噪声。 出现在106Hz的频率范围，普通硅平面管中，在103Hz以下明显 的频率范围， 出现在 的频率范围 普通硅平面管中， 以下明显
载流子运动本身是电流， 热噪声与电阻有关——载流子运动本身是电流，电阻大，电压高 载流子运动本身是电流 电阻大，
载流子热运动为随机过程，平均值为零，用统计值 载流子热运动为随机过程，平均值为零，用统计值——均方值表示 均方值表示 频谱密度与频率无关的噪声称为白噪声， 频谱密度与频率无关的噪声称为白噪声，热噪声是白噪声
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P 输入端信噪比 PSi PNi F＝ ＝ = No 输出端信噪比 PSo PNo K p PNi
噪声系数可看作： 噪声系数可看作： 单位功率增益下，晶体管噪声功率的放大系数。 单位功率增益下，晶体管噪声功率的放大系数。即晶体管无 功率放大作用时，噪声功率增大的倍数， 功率放大作用时，噪声功率增大的倍数， 总输出噪声功率与被放大的信号源噪声功率之比。 总输出噪声功率与被放大的信号源噪声功率之比。 噪声系数越接近于1， 噪声系数越接近于 ，晶体管噪声水平越低 噪声系数也可用分贝表示
低频发射极噪声电流均方值： 低频发射极噪声电流均方值：
2 ine = (4kTge 0 − 2qI E )∆f
q ge 0 = ( I E + I BE ) kT
集电极噪声电流均方值： 集电极噪声电流均方值：
为低频发射结电导
2 inc = 2q[α DC ( I E + I BE ) + I BC ]∆f = 2qI C ∆f
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二极管低频电导： 二极管低频电导：
dI qI R qV g0 = e = dV kT
高频下的本征导纳： 高频下的本征导纳：
kT
q (I + I R ) = kT
qI F 1 1 12 1 1 12 2 2 12 2 2 12 Y= {[ (1 + ω τ p ) + ] + j[ (1 + ω τ p ) − ] } kT 2 2 2 2 ——随频率升高而增大 = G + jX 随频率升高而增大
N F = 10 lg F
晶体管自身噪声相当大。 晶体管自身噪声相当大。例3AG47, NF<6db, F=4 输出噪声功率中75%来自于晶体管本身。 来自于晶体管本身。 输出噪声功率中 来自于晶体管本身
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 一、热噪声(Thermal noise) 热噪声 载流子的无规则热运动叠加在规则的运动上形成热噪声 也称约翰逊噪声(Johnson noise) 也称约翰逊噪声 任何电子元件均有热噪声 热噪声与温度有关——温度升高，热运动加剧 温度升高， 热噪声与温度有关
4kT(G − g0 )∆f
于是， 结二极管总的噪声电流均方值为 结二极管总的噪声电流均方值 于是，p-n结二极管总的噪声电流均方值为
in2 = 2q( I + 2 I R )∆f + 4kT (G − g0 )∆f = (4kTG − 2qI )∆f
e
qVD kT 0 nn = 0= 0 pn np
其中， 其中，ith—短路噪声电流 短路噪声电流 uth—开路噪声电压 开路噪声电压 单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度 单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度 •噪声电压的功率谱密度 噪声电压的功率谱密度
2 uth SV = = 4kTR ∆f 2 ith Si = = 4kTG ∆f
① IRe
qV kT
受外加电压调制，对电导的贡献是g0 受外加电压调制，对电导的贡献是 与外加电压无关，是自建场漂移作用， 与外加电压无关，是自建场漂移作用，对电导没有贡献
② − IR
两部分独立起伏产生散粒噪声
2q(I + IR )∆f + 2qIR∆f = 2q(I + 2IR )∆f
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引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在n区无规则停留时 ③ 引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在 区无规则停留时 因此受外加高频电压调制， 间，因此受外加高频电压调制，对高频本征电导有贡献 因扩散过程是热运动过程， 因扩散过程是热运动过程，故产生热噪声
仅考虑空穴的运动： 仅考虑空穴的运动： ①从发射极注入到基区的空穴 ②基区中产生并被发射极收集的空穴 ③发射区注入到基区，未被收集或复合，又返回发射区的空穴 发射区注入到基区，未被收集或复合， ④在基区产生并被集电极收集的空穴
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§8.3 双极型晶体管的噪声
二、散粒噪声与噪声电流 2.晶体管散粒噪声 晶体管散粒噪声
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§8.3 双极型晶体管的噪声
二、散粒噪声与噪声电流 1. p-n 结二极管的散粒噪声 假设全部电流是由空穴携带的 分为三个分量： 分为三个分量： ①由p区注入到 区，并被电极端 区注入到n区 区注入到 收集的空穴
IF = IR (eqV kT −1)
IReqV kT
区产生， ②在n区产生，被自建场漂移到 区 区产生 被自建场漂移到p区 并被电极端收集的空穴
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§8.2 晶体管的噪声源
已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和 噪声 已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声 二、散粒噪声(shot noise) 散粒噪声 1918年肖特基发现于电子管中，起源于电子管阴极发射电子 年肖特基发现于电子管中， 年肖特基发现于电子管中 数目的无规则起伏。 数目的无规则起伏。 在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨 在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、 落使越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声 结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。 落使越过 结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。
− IR
区注入n区 区复合或到达电极之前因扩散运动又返回p区的空 ③从p区注入 区，在n区复合或到达电极之前因扩散运动又返回 区的空 区注入 区复合或到达电极之前因扩散运动又返回 穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献 对电流没有贡献， p-n结中载流子扩散和漂移的动态平衡 结中载流子扩散和漂移的动态平衡
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§8.3 双极型晶体管的噪声
三、晶体管的噪声频谱特性 普遍规律： 普遍规律： 在噪声频谱特性曲线的 低频和高频区， 低频和高频区，噪声系数都 有明显变化，在中频区， 有明显变化，在中频区，噪 声系数最小， 声系数最小，且基本不随频 率变化。 率变化。 定义： 定义： fL：低频区噪声转角频率。 低频区噪声转角频率。 fH：高频区噪声转角频率。 高频区噪声转角频率。 低频区主要由1/f噪声构成。 低频区主要由 噪声构成。 噪声构成 中频区称为白噪声区 高频区噪声系数再次上升是由于功率 增益下降所致
信号功率 S P 信（号）噪（声）比＝ P 噪声功率 N
二、噪声系数 晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、 晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、输出端 信噪比不同。 信噪比不同。定义噪声系数反映晶体管本身产生噪声的大 小。