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優化BJT/MOSFET低頻雜訊 DC-DC開關轉換量測有撇步

在電信網路中,與射頻(Radio Frequency, RF)訊號混合期間,從本機振盪器(Local Oscillator)和放大器的電源注入到中頻(Intermediate Frequency, IF)的低頻雜訊的增頻與變頻導致中頻的兩側形成頻帶,產生了更高的相位雜訊。在偵測數位調變訊號時,相位雜訊增加了均方根(Root-Mean-Square, RMS)相位誤差,而限制了網路的性能。本文解釋了雙極型接面電晶體(Bipolar Junction Transistors, BJT)、金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFET)和電阻器中的低頻雜訊來源,以及這種雜訊如何傳遞(Propagate)到DC-DC轉換器的輸出電壓。此外,本文還介紹了一種用於量測DC-DC轉換器輸出電壓的低頻雜訊頻譜的設置,並使用該設置將低頻雜訊最佳化的DC-DC轉換器的雜訊頻譜與標準DC-DC轉換器進行比較。 低頻雜訊類型多 積體電路(IC)有不同類型的雜訊,包括閃爍雜訊(Flicker Noise)、熱雜訊(Thermal Noise)、射擊雜訊(Shot Noise)、突發雜訊(Popcorn Noise)和產生複合雜訊(Generation-Recombination Noise)。閃爍雜訊和熱雜訊在DC-DC轉換器的低頻輸出電壓雜訊頻譜中占大部分。 .閃爍雜訊 偏壓下在所有電子設備中均觀察到閃爍雜訊(也稱為1/f雜訊),頻率從10-6Hz到幾百赫茲。閃爍雜訊源於對通道電導率的調變。公式1將半導體的電導率(σ)表示為載子濃度(Carrier Concentration)與移動率的乘積:  公式1 其中q是電子的電荷;n和p分別是電子和電洞的濃度;μe和μh分別是材料中的電子和電洞移動率。 文中的兩個模型解釋σ調變:McWhorter 1957年開發的數字波動模型和Hooge在1969年開發的移動性波動模型。 根據McWhorter模型,閃爍雜訊是一種表面現象,它源於表面狀態下電荷捕捉(Charge Trapping)引起的載子濃度的變化。圖1顯示了反轉中N通道金屬氧化物半導體(NMOS)的能帶圖。 圖1 反轉中NMOS的能帶圖。 由於矽(Si)和二氧化矽(SiO2)之間的介面並不完全,因此在矽與二氧化矽介面的能隙中存在陷阱或居間能量狀態(Intermediate Energy States)。SiO2的缺陷也會導致整體SiO2陷阱。當應用於MOSFET時,McWhorter理論指出陷阱會導致載子從通道中捕獲和釋放,而引起臨界值電壓(Vt)的變化和載子濃度的波動。這些過渡的時間常數取決於陷阱與表面的距離,距離較遠的陷阱捕獲載子的可能性較小。 在Hooge的移動率波動模型中,半導體零組件中的閃爍雜訊主要來自於兩種載子散射機制:半導體晶格中的散射和雜質的散射。該模型更適合解釋BJT中的閃爍雜訊,而McWhorter模型則給予MOSFET中的閃爍雜訊更好的解釋。 .熱雜訊 熱雜訊是指由電阻介質中的熱激發引起的電荷載子隨機運動而導致的電壓波動。熱雜訊,也稱為詹森雜訊(Johnson...
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