彻底搞懂爆米花噪声

图一显示时域中的爆米花噪声及其相关的统计分布情况。噪声强度不同的爆米花与分布峰值相对应，该分布情况显然与非高斯爆米花噪声相关。事实上，此范例中显示的分布为三条彼此交迭的高斯曲线 (三模分布)。之所以出现这种情况，是因为此范例中的爆米花噪声具有三个离散位准。各突波间的噪声是宽带与 1/f 噪声两者合成的结果，因此，此噪声由三个不同的 1/f 及宽带噪声高斯分布组成，而 1/f 及宽带噪声又由爆米花噪声转换为不同的位准。

《图一爆米花噪声时域及柱状图》

爆米花噪声的起因为何？

一般认为爆米花噪声是由电荷撷取（charge trap）或半导体材料中的微小缺陷所引起，重金属原子污染已知是引起爆米花噪声的原因。在进行失效分析时，专家通常会详细检查具有较多爆米花噪声的装置。失效分析可以找出引起爆米花噪声的微小缺陷。

爆米花噪声与半导体制造过程出现的问题有关联。对于现今许多制程而言，出现爆米花噪声的情况相对较少。一般而言，爆米花噪声取决于不同的「批次」（lot-to-lot），也就是说，某些批次完全没有爆米花噪声，其他批次可能会有少量爆米花噪声。质量特别差的一批半导体可能会有 5% 的装置出现爆米花噪声。在某些情况下，是可以找出造成爆米花噪声的制造技术问题。

爆米花噪声：是电流噪声或电压噪声？

在双极晶体管中，爆米花噪声是由基底电流的阶跃变化所造成，因此，双极运算放大器的爆米花噪声通常是偏压电流噪声（bias current noise），由于这个缘故，双极放大器中的爆米花噪声可能只会在高阻抗（high sourceimprdance）的应用中出现。

在具有 JFET 输入放大器的双极运算放大器中，偏压电流噪声通常不会造成问题。在某些情况下，内部级的双极晶体管会产生爆米花噪声，这种爆米花噪声是电压噪声。

一般而言，MOSFET 放大器不太会产生爆米花噪声。MOSFET 晶体管中的爆米花噪声是由临界电压的阶跃所造成，在运算放大器中，这会形成电压噪声。

爆米花电压噪声的基准检验及生产测试

基准检验是工程实验室中用于装置少量样品测试的一种测试方法，生产测试是使用自动化测试设备针对大量装置进行测试的一种测试方法。这两种测试方法的主要差异，在于生产测试的测试时间较短（通常为 t ≤ 1 秒），这是因为生产测试的时间成本极高，在许多情况下，测试成本与半导体硅芯片的成本相当。

图二显示测量运算放大器（U1）爆米花电压噪声的基准检验设定。值得注意的是，该放大器的非反相输入已接地，因此该放大器的噪声及 DC 输出为增益（gain）乘以偏移（offset），此噪声受到 U2 进一步放大。U1 及 U2 的增益均设定为 100，因此总增益为 100x100 = 10,000。此为爆米花噪声测量的一般增益设定；但是，在用于实际应用时，可能需要对此进行调整。

U2 输出端的低通滤波器将带宽限制于 100Hz。此滤波器消除较高频率噪声，并显示出爆米花噪声（如果没有爆米花噪声，则为 1/f 噪声）。此滤波器根据其具体应用，可以在 10Hz 到 1000Hz 的范围内进行调节。10Hz 低通滤波器具有衰减 60Hz 拾取 (pick-up)的优点，但是，却有使某些高频率突波不明显的缺点。1000Hz 低通滤波器将撷取高频率突波，但同时也开始出现极大的宽带噪声。100Hz 滤波器是介于 10Hz 及 1000Hz 滤波器之间的折衷方案，经由实验可以判断何种滤波器可达到最佳的测量结果。

《图二测量运算放大器爆米花电压噪声的基准检验》

U2 之后是 0.003Hz 的 HPF，此滤波器是使用陶瓷电容（ceramic capacitor）和示波器输入阻抗所建立而成。值得注意的是，多个并联的小型陶瓷电容可形成大型陶瓷电容（例如，4 x 5uF）。此高通滤波器可用来消除 DC 偏移，如此的偏移很可能明显大于测得的噪声。使用此滤波器能够使用最佳的示波器范围测量噪声讯号。在此范例中，DC 输出偏移约为 2V，此噪声呈现 340mVpp 的幅度。0.003Hz HPF 不但不需要使用 2V DC 组件，而且也可在 200mV 示波器刻度上观察 340mVpp 讯号。

将输入偏移乘以总增益，即可估计可能的输出偏移。图三显示此一计算方法。值得注意的是，此输出偏移并未将放大器驱动至电源轨。如果输出偏移接近电源轨，则必须减少增益或 U1 及 U2 之间的 AC 耦合。另外值得注意的是，此电路初次通电时，需要将滤波器电容 C2 充电至输出偏移电压，这需要大量的时间 (约为 5 分钟)。图三也提供充电时间的计算方法。

《图三运算放大器爆米花电压噪声基准检验的相关计算》

显示测量运算放大器爆米花电压噪声的生产设定。基准检验设定和生产设定之间的主要区别，在于生产测试中采用数字滤波器。数字滤波器使用数学方法来过滤数字化数据。因此，这些数字滤波器不需要仿真滤波器的长充电时间，这能够使测试时间缩短。在此范例中，测试者使用可程序增益放大器（PGA）将噪声放大到容易测量的强度。基底 DAC 可用来消除输出偏移。最终的测试方法与一般生产测试系统相当，不过，这些方法会因为系统的不同而有所差异。

电流爆米花噪声的基准检验及生产测试

图四显示测量运算放大器（U1）电流爆米花噪声的基准检验设定。需要注意的是，当1MΩ 电阻与两个输入端串联，1MΩ 电阻会放大电流噪声，而造成输出端的主要噪声。另外还要注意，该配置会找出两个输入端上的爆米花噪声。由于噪声可能与任何输入端有关，因此这相当重要。两个输入端都应进行检查。

《图四测量仪表放大器电流爆米花噪声的基准检验》

还要注意到的是，图四所示用于测量电流爆米花噪声的电路并不需要第二个增益级，这是因为输入电阻可以做为电流噪声和偏压电流的增益。电流噪声测量电路具有与应用于电压噪声电路相同的滤波器。0.003Hz 的高通滤波器可消除 DC 输出偏移，DC 输出偏移一般是由流经输入电阻的偏压电流所产生。U1 输出端的低通滤波器将带宽限制于 100Hz。此滤波器消除较高频率噪声，并显示出爆米花噪声（如果没有爆米花噪声，则为 1/f 噪声）。

基准检验设定和生产设定之间的主要区别，是在于生产测试中采用数字滤波器，数字滤波器使用数学方法来过滤数字化数据，因此这些数字滤波器不需要仿真滤波器的长充电时间，如此一来就能够使测试时间缩短。

爆米花噪声数据分析

这里提供几种用于分析低频噪声并确定是否有爆米花噪声的方法，使用的分析技术适用于任何用于测量数据的电路配置。工程师一般都能够使用定性的测量方式来检测示波器的波形，并确定讯号是否出现爆米花噪声。

出现爆米花噪声的一般时域噪声讯号，此讯号的截止频率为 300Hz。噪声讯号呈现出此噪声电压为非高斯分布。对于这个特殊范例而言，其中出现三个离散噪声级，在分布中产生三种模式。

因此，想要确定讯号是否有爆米花噪声，可查看非高斯分布。本文较着重于找出与噪声讯号边缘相关较大突变的技术，较不讨论关于测试分布为高斯或非高斯分布的数学方法。一般可以从讯号的导数（derivative）找到讯号突变。

爆米花噪声柱状图在离群值较大的柱中有大量的计数，这些离群值柱与导数中的突增相对应。要注意的是，标准装置的柱状图没有大量的离群值。若要确定装置是否出现爆米花噪声，也可透过比较所测得的峰间噪声与预期的峰间噪声。图五比较爆米花噪声装置的分布与标准装置的分布。这里爆米花噪声峰间值为标准装置噪声的 6 倍。此外，必须调整比例以强调爆米花噪声的非高斯特性。还要注意过大的低频噪声很可能表示有爆米花噪声，不过不一定证明有爆米花噪声。不论是否具有爆米花噪声，噪声强度过高的装置都是不良品。

《图五标准装置与爆米花噪声装置的峰间噪声比较》

设定爆米花噪声测试限度

本文提供两种用于检测爆米花噪声的方法：第一种方法是取噪声讯号的导数，并找出分布中的离群值，此测试的建议限度为 ±4 标准偏差。因此，如果该导数中任何一点超出 ±4 标准偏差，则可认为该装置为不良品；第二种方法是查看峰值到峰值间的噪声。最不理想条件状况的经验法则描述频谱密度曲线如何随制程的差异而变化。估计最不理想条件状况下预期的噪声，最不理想条件状况下预期的噪声为标准装置的预测最大噪声。相较于最不理想条件状况的限度，出现爆米花噪声的装置一般都会有较大的噪声。峰间噪声限度应设定为最不理想条件状况的估计值。超过这些限度的装置可能出现爆米花噪声或过高闪烁噪声。只要出现任何一种情况，均可认定该装置为不良品。

爆米花噪声何时成为关注焦点？

在缓慢传输讯号的低频应用（fc

< 1kHz）中，爆米花噪声会成为关注焦点。例如，医学脑波图中的频率范围和波形不易辨别出爆米花噪声。地震观测（Seismic measurements）也是不易辨别出爆米花噪声的缓慢传输 DC 讯号。在某些音频应用中，爆米花噪声是特别令人无法接受的噪声。

爆米花噪声通常是电流噪声。因此，高阻抗应用可能更容易受爆米花噪声的干扰。不过，值得注意的是，在某些情况下，内部电流噪声会转换成装置的内部电压噪声。另外，宽带噪声可能使得爆米花噪声不明显。值得注意的是，在宽带情况下，平板噪声使得爆米花噪声不明显。

（本文作者任职于德州仪器）