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)獨立于用于測量數(shù)據(jù)的電路結(jié)構(gòu)。工程師一般用定性方法都能檢測出一個示波器波形，并確定一個信號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/失敗極限。
爆米花噪聲數(shù)據(jù)分析
圖 8.13 顯示了一個典型的無爆米花噪聲的時域噪聲信號。該信號的截止頻率為 300Hz。因此，該噪聲為 1/f 噪聲和寬帶噪聲的一個綜合噪聲。噪聲信號左側(cè)的柱狀圖用于強調(diào)該噪聲電壓為高斯分布型。圖 8.14 顯示了更詳細的典型噪聲高斯分布。
圖 8.15 顯示了一個典型的帶有爆米花噪聲的時域噪聲信號。該信號的截止頻率為 300Hz。噪聲信號左側(cè)的柱狀圖用于強調(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調(diào)爆米花信號躍至離散模式。就這個特例而言，出現(xiàn)了三個離散噪聲級，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，敬請參閱圖 8.17。
因此，確定一個信號是否有爆米花噪聲的一個方法就是查看一個非高斯分布圖。我們在此將不對用于測試一個分布為高斯或非高斯分布的數(shù)學(xué)方法進行介紹。相反我們將主要精力集中在可以查找與一個噪聲信號邊緣相關(guān)的較大突變的技術(shù)上。找到一個信號突變的一般方法是取該信號的導(dǎo)數(shù)。圖8.18 顯示了當(dāng)爆米花信號進行一次轉(zhuǎn)換時，爆米花噪聲信號的導(dǎo)數(shù)如何產(chǎn)生較大的尖峰。圖 8.19 顯示了一個標(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，即無爆米花噪聲。請注意，取寬帶和閃爍噪聲的導(dǎo)數(shù)并不會出現(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) 中具有大量的計數(shù)。這些離群值柱與導(dǎo)數(shù)中的尖峰相對應(yīng)。請注意，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)偏差之外的測量噪聲的統(tǒng)計概率為 0.007%。所示的示例柱狀圖中含有 15000 個樣本，因此我們可以認為只有一個樣本（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。該測試的極限應(yīng)根據(jù)柱狀圖中的樣本數(shù)量進行調(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量的峰至峰噪聲與理想的峰至峰噪聲進行對比。圖 8.21 將一個帶有爆米花噪聲的器件的分布圖與一個標(biāo)準(zhǔn)器件的分布圖進行了對比。請注意，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)注意我們對比例進行了調(diào)整，從而強調(diào)了爆米花噪聲的非高斯特性。請記住，不規(guī)則的強低頻噪聲是爆米花噪聲比較明顯的指示，但是沒有必要證明存在爆米花噪聲。但是，具有不規(guī)則高噪聲級別的器件肯定都有故障，無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比
設(shè)置爆米花噪聲測試極限
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的導(dǎo)數(shù)，并找出分布圖中的離群值。該測試建議的極限為 +/-4 標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，如果該導(dǎo)數(shù)中任何一點超出 +/- 4 標(biāo)準(zhǔn)偏差，則可認為該器件出現(xiàn)故障。
第二種方法是查看峰至對峰噪聲。該測試極限的設(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為這些器件出現(xiàn)了故障。
應(yīng)何時關(guān)注爆米花噪聲？
在慢傳輸信號的低頻應(yīng)用（fc < 1kHz）中，應(yīng)對爆米花噪聲予以關(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。地震觀測也是一些慢傳輸 DC 信號，其也很難辨別出爆米花噪聲。在一些音頻應(yīng)用中，普遍認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)為一個電流噪聲。因此，高源阻抗應(yīng)用可能對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。請注意，圖 8.25 中的兩個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，以及如何使用自動歸零放大器拓撲來消除 1/f 噪聲。
感謝
特別感謝 TI 的技術(shù)人員，感謝他們在技術(shù)方面所提供的真知灼見。這些技術(shù)人員包括：
• 高級模擬 IC 設(shè)計經(jīng)理 Rod Burt
• 線性產(chǎn)品經(jīng)理 Bruce Trump
• 應(yīng)用工程經(jīng)理 Tim Green
• 測試工程經(jīng)理 Scott Gulas
參考書目
《模擬集成電路的分析與設(shè)計》，作者：Paul R. Gray 與 Robert G. Meyer，第三版，由 Hamilton Printing Company 出版。
作者簡介：
Arthur Kay 現(xiàn)任 TI 高級應(yīng)用工程師，負責(zé)傳感器信號調(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)任過半導(dǎo)體測試工程師。
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