《射频微波芯片设计》专栏适用于具有一定微波基础知识的大学生、在职射频工程师、大学研究所研究人员，掌握从射频到毫米波的芯片设计流程、设计方法、设计要点和最新的射频/毫米波前端芯片工程实现技术。
说到噪音，我们应该熟悉它，这可能是我们射频模拟电路工程师的另一个不可避免的话题。当然，说到模拟电路，一般来说，我们会说模拟电路由四个部分组成：基带、射频、传感器和电源。除了电源，我们基本上关注信号和噪声的概念，因此噪声分析尤为重要。，还是老规矩，本文旨在抛砖引玉，简单谈谈射频电路中的噪音，欢迎大家讨论交流，共同进步。
噪声系数主要是衡量噪声大小的指标。当我们不知道电路中产生的具体噪声源时，我们可以直接将其定义为输入信噪比和输出信噪比的比例：
为了在实际工程中表现出便利，我们通常使用它dB表示噪声，即对上述噪声F进行对数
也许看完上面的表情，真正的朋友会嘀咕，既然模电除了电源之外基本上都会关注噪音，
本征噪声是电路本身带来的噪声，主要由晶体管（现场效应管）和电阻引起，外部噪声主要由电源、参考、衬底干扰和串扰（模块间串扰、外部耦合等）引起。当我们设计射频低噪声放大器时，主要考虑噪声的影响；在设计低相大器外，更重要的是考虑外部噪声对放大器的相位噪声的恶化。
针对上述噪声源，电阻主要是热噪声，我们简要讨论其基本概念：
每个人都应该更好地理解这个概念，毕竟我们可以看文生义，一个热字代表其噪声的产生机制。
下面简单讨论一下。首先说说谁热。简单地说，电子更热，我们知道放大器后，晶体管或场效应管偏压结内部载流子将根据我们的电压，向指定方向移动，但现实是脸，因为我们的电子生活爱自由，虽然外部邪恶的电压力指定了方向，但一旦时间成熟，外部温度变化，我们的电子兄弟喜欢朝非规定的方向Run起来，所以，此时受温度影响。下图简要说明了电子是如何热的:
好了，回答了电路里的热噪音，谁热，怎么热的问题，简单回答一下有多热，热噪音的关系。
说到定量研究，我们一般的科学方法是先测试热噪声，然后根据相关值具体表达热噪声，然后反复验证，最后得出结论。在研究中，我们通常采用等效法。根据下图所示的基本原理，我们首先采用等效法LNA（当然，其他有源电路也是如此）作为热噪声源，表示热噪声是测量其产生噪声的装置的平均噪声功率。通过改变负载电阻R的值，我们可以使用下图中的电路结构来完成测试，使测量的噪声功率最大化。根据最大功率传输的原理，我们可以得到等效的热电阻。
为了不打瞌睡，我们直接忽略了中间的推导过程，这里得出结论，常见的电阻热噪声公式是：
也就是说，热噪声的平均电压值与温度、电阻值和带宽成正比（需要注意的是，与带宽成正比并不意味着热噪声的形成与频率有关。这只是一个寻求频率积分功率谱密度的过程。事实上，热噪声是由电子混乱运动引起的，与频率无关）。以上是在频域测量的功率谱密度来定义热噪声。稍后，我们将讨论如何在时域定义噪声。
如何理解这种噪音？追根溯源，我们发现原因是电子传播时是离散的。这就像我们规定的传播方向上有用的电子按照既定路线行军。然而，由于离散性（符合泊松分布），一小波电子虽然按外部电势移动，但仍有一个小差距，最终没有达到我们想要的位置。这有点像两个年轻人吗？为了生动地解释，让我们看下图：
根据散粒噪声产生的两个必要条件，我们可以得出结论：简单的电阻没有散粒噪声，或者场效应管的栅极到沟道没有散粒噪声。你应该没有意见。当然，有意见的朋友也可以添加小编的朋友。他会带你去小组聊天喝茶。同样，我们也节省了再次打瞌睡的推导过程。在这里，我们直接给出散粒噪声的数学表达：
其中IDC直流电流是我们刚才提到的散粒噪声的先决条件之一。将电荷q引入表达式，主要是因为电荷的颗粒或离散贡献了相应的噪声。
，其功率谱密度函数是一个不稳定的随机过程（f理论上，低频端的噪声谱密度可以达到无限。，我们也称闪烁噪声为1/1f噪音，是的，它是著名的1/f噪声，，大多都是模糊地说是由器件本身决定的，其特征在于噪声功率频谱密度与频率f成反比，当然在拉扎维大师的《RF Microelectronics》给出了一本书MOS管的1/f噪声经验公式：
K是与制造工艺相关的参数，其中大部分是经验值，根据每个工艺会有不同的值，拉扎维老师还指出，在相同的工艺条件下PMOSK值一般小于NMOS是的，这也是我们之前在博客上谈到的PMOS负载减小1//f噪声的原因。随着时代的进步，每个人都/f对噪声产生机制的研究越来越深入MOSFET管子为例，业界比较认可的1/f噪声主要由栅极载波波波动引起（carrier number fluctuations ，CNFs)导致的。CNFs噪声是由载波交换引起的近界面栅介质陷阱。栅极电介质中的电荷波动也可能导致载流子迁移率波动，并上升到所谓的相关迁移率波动（CMF），进而引入了1/f噪声。当然，我还是不太了解。我也期待着大家伙的研究，努力尽快找出这个底层机制。这样，在设计电路时，我们也可以根据噪声的来源削弱底层机制的1/f噪声的影响不是根据经验和观察到的现象减少1/f噪声。
但有些朋友可能会再问，
事实上，我们在之前的博客中也谈到了零中频接收机的1/f除了噪声对系统的影响外，一些射频电路中还会有1/f噪音折叠到高频隐患，所以大家伙要多注意1/f尽量减少噪声对电路的影响。
，我们也把此类噪声叫做爆发性噪声（burst noise）。在掺金的双极晶体管中发现噪声强度高，因此被认为与金属离子有关。不过与1/f噪音，我们产生的物理机制不是特别清楚，总结学者的研究，一个认可的原因是：由于金属离子两个或两个以上（主要是两个）随机切换，当这种状态切换频率在音频范围内，并伴随boom，boom类似爆米花的声音，所以我们称之为爆米花的噪音。
上述公式给出了爆米花噪声的经验公式，其中K主要由工艺和偏置决定fc是拐角（corner）当频率低于fc爆米花噪声功率谱密度变得温和，即与频率相关性降低（甚至与频率无关）。
，正如我们上面提到的，外部噪声主要包括电源、偏置、参考信号、衬底耦合和串扰信号。这种噪声通常被引入电路中。在设计时，我们需要相应地考虑对策，如提高Q值的偏置电路，如衬底和隔离墙。
当我们整体衡量电路的噪声大小时，可以通过时域去分析也可以通过频域。从时域上来看，可以通过概率密度函数来表示噪声功率谱密度，一般而言，噪声符合正态分布，当然也有例外，比如上文说到散弹噪声（shot noise）符合泊松分布。
一般来说，我们会在时域上对信号V进行采样分析，首先对采样点内信号本身的平均值进行分析 求出，再求均方差，均方差δ我们的噪可以反映我们的噪声（只考虑噪声对信号的影响）。信号平均值的公式如下：
根据上述n次采样后获得的信号平均值，然后我们可以获得信号（Root mean square，，不考虑谐波分量对信号功率谱密度的影响，信号均值一般分布在99%以上的信号和噪声±3δ以内：
当然，除了通过时域解决电路中的噪声外，还可以通过频域噪声功率谱密度(这也是我们的模拟工具，比如ADS，AWR，Cadence常用的仿真噪声-频率求解方法)求解噪声。如下图所示（a）所示，我们对所需频率为10KHz处1Hz采样带宽信号(中心频率10KHz，滤波器带宽1Hz），通过功率计到信号的功率，同理可以逐点推广到整个频段，如图（b）所示。
图片来源：拉扎维《RF Microelectronics》第二章
根据上图（b），Sx（f）函数便是功率谱密度，根据这个功率谱密度函数我们积分就可以得到功率的均方根误差，也就是我们的噪声。
好了，我们这里就讨论完了噪声大小的计算方法，接下来我们再来讨论一个有意思的话题——。恰好有机会看到RFASK上面有篇博文分享了《浅析多通道接收单元噪声系数的测试》，这是一个比较有讨论价值的话题，本文就狗尾续貂，接着来简单谈论下噪声叠加的问题。
为了讨论简单化，针对单位电阻的平均噪声功率计算公式，我们可以求得两个噪声叠加后的平均噪声功率：
根据上面的公式，我们可以：，叠加的噪声总噪声功率可以直接把两个噪声功率直接相加，即上图绿色框框内的积分为0，即Pav=Pav1+pav2，也就是此时两路叠加的噪声比原来未叠加的单路噪声高了3dB；，叠加的总噪声不再是两个噪声功率直接相加，还要考虑乘积项的积分项，我们假定两路噪声全相关，即令n1(t)=n2（t）,此时Pav=4*Pav1=4*Pav2，也就是此时两路叠加的噪声比原来未叠加的单路噪声高了6dB。在实际电路中怎么去判断噪声是否相关，大家还得根据我们上文分析的噪声的来源去考虑。
本期关于噪声的讨论就到这里，感谢你耐心看到此处。
作者：RFIC_抛砖
来源：https://www.rfask.net/article-640.html
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