Перейти к содержанию

Взрывной и лавинный шум

Не весь шум похож на ровное шипение. Бывают редкие ступенчатые скачки, которые в динамике щёлкают, как лопающийся попкорн, и есть шум стабилитрона, способный перекрыть всё остальное. Это взрывной и лавинный шум.

Обновлено Редакция GAW

Взрывной шум (burst noise, popcorn noise) — шум в виде случайных прямоугольных скачков: сигнал резко переключается между уровнями и держится на каждом случайное время. Амплитуда скачков постоянна и в несколько раз больше уровня теплового шума, а частота повторения меняется. Причина — несовершенство полупроводникового материала и имплантация тяжёлых ионов. Если подать такой шум на динамик, на частотах ниже 100 Гц он щёлкает, как лопающийся попкорн, — отсюда название (TI SLOD006B, разд. 10.3.4).

Лавинный шум (avalanche noise) возникает в p-n переходе, работающем в режиме обратного пробоя. Электроны в сильном поле обеднённой области набирают энергию и, сталкиваясь с атомами решётки, рождают новые пары носителей. Эти процессы случайны и дают импульсы тока, похожие на дробовой шум, но намного сильнее; величину лавинного шума трудно предсказать — она зависит от материала (SLOD006B, разд. 10.3.5).

Чем они неудобны

  • Взрывной шум не гауссов. Привычная оценка «размах ≈ 6 × СКЗ», верная для теплового и дробового шума (TI SLVA043B), к ступенчатому шуму неприменима (наш вывод): распределение у него не гауссово, и скачок может быть заметно больше, чем обещает СКЗ.
  • Он низкочастотный. Скачки попадают в полосу медленных сигналов — датчиков, весов, опорных напряжений, — и фильтр их не убирает, а только сглаживает фронты. В этом он похож на фликкер-шум, но выглядит иначе: не плавное блуждание, а ступеньки.
  • Разработчик на него не влияет. TI прямо пишет, что малый взрывной шум достигается чистотой технологического процесса и вне контроля разработчика схемы; современная технология TI практически устранила его (разд. 10.3.4). Если он есть — меняют микросхему или партию.

Лавинный шум и стабилитроны

Обратный пробой — рабочий режим стабилитрона, поэтому лавинный шум — проблема схем, где стабилитрон стоит в малошумящем тракте: в цепи смещения, в простом источнике опорного напряжения, в ограничителе на входе. TI советует лучший способ борьбы — перепроектировать схему без стабилитронов (SLOD006B, разд. 10.3.5). Если обойтись нельзя, шум стабилитрона фильтруют RC-цепью до того, как напряжение попадёт в чувствительный узел, или используют прецизионный ИОН с нормированным шумом.

Классификацию всех видов шума — тепловой, дробовой, 1/f, взрывной и лавинный — и их сложение в каскаде на ОУ разбирает статья «Шумы в электронике».

Частые вопросы

Можно ли отфильтровать взрывной шум?

Плохо. Скачки ступенчатые, а их частота повторения низкая — щелчки слышны ниже 100 Гц, — поэтому шум попадает прямо в полосу медленных сигналов и фильтр нижних частот лишь сглаживает его фронты. TI пишет, что малый взрывной шум достигается чистотой технологии и не зависит от разработчика схемы: лечится он выбором другой микросхемы или партии.

Почему стабилитрон шумит сильнее обычного диода?

Стабилитрон работает в обратном пробое, а TI прямо связывает пробой перехода стабилитрона с лавинным шумом: носители в сильном поле разгоняются и выбивают новые пары, и каждый такой процесс — случайный импульс тока. По TI, это похоже на дробовой шум, но намного сильнее, а величину шума трудно предсказать — она зависит от материала. Поэтому TI советует по возможности не ставить стабилитроны в малошумящие цепи.

Как отличить взрывной шум от 1/f-шума на осциллографе?

1/f-шум выглядит как медленное плавное блуждание уровня. Взрывной шум — как ступеньки: сигнал резко прыгает между двумя или несколькими уровнями одинаковой высоты и стоит на них случайное время. TI описывает его как дискретные импульсы постоянной амплитуды, в несколько раз больше уровня теплового шума.

Источники

  1. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, Design Reference (SLOD006B), chapter 10: Op Amp Noise Theory and Applications — разд. 10.3.4: взрывной (popcorn) шум связан с несовершенством полупроводникового материала и имплантацией тяжёлых ионов; дискретные импульсы с крутыми фронтами, частота повторения меняется, амплитуда постоянна и в несколько раз больше теплового шума; в динамике щелчки на частотах ниже 100 Гц; малый взрывной шум достигается чистотой технологии и вне контроля разработчика схемы; современная технология TI практически устранила его; разд. 10.3.5: лавинный шум — переход в режиме обратного пробоя, электроны в сильном поле выбивают новые пары носителей, импульсы тока случайны, похожи на дробовой шум, но намного сильнее; величину трудно предсказать; проблема для схем со стабилитронами, лучший способ — обойтись без них
  2. Texas Instruments. Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits (SLVA043B, 2007) — шум описывают СКЗ и размахом: для гауссова шума размах ≈ 6 СКЗ с вероятностью 99,7 %, ≈ 6,8 СКЗ — 99,94 %

Нашли ошибку?

Смотрите также