presentacion ruido rosa

Ruido Flicker

Ruido FlickerEquipos Electronicos

Jose Mara Gonzalez MedinaAdriana Daz Gonzalez

Roberto Carlos Sanchez Mudarra

23 de octubre de 2013

Indice

1 Introduccion

2 Modelado del ruido

3 PropiedadesPorpiedades en distintos componentes

4 Midiendo el ruido en el laboratorio

5 Implementacion en simuladoresImplementacion en Pspice

6 Articulo: On the Ficker noise in submicron silicon MOSFETsModelosModelos NModelos Efectos del tamano del transistor

7 El ruido rosa, un ejemplo

8 Bibliografa

Ruido Flicker

Introduccion

Origen del ruido

No se conoce el origen exacto de este ruido

Se puede dar en otros fenomenos no electricos

Fluctuacion en la hora dada por un reloj de arena al moverse laarena del interiorVelocidad del giro de la Tierra y otros sistemas cosmicos

Puede darse en frecuencias muy bajas, de hasta 104HzPuede ser un problema para su medicion

Sistemas de medida no toman muestras durante un tiemposuficiente como para hacer una medida fiableSolo se puede estimar una cota para las frecuencias mas bajascon un equipo no especfico para medida de ruido

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Introduccion

Origen del ruido

Se cree que su origen se debe a:

Malas uniones entre las partes de un componente

Se le llama ruido excendente, porque contribuye al ruidotermicoPor ejemplo en una resistencia de carbon, en una de hilobobinado no aparece

Impurezas en el cristal semiconductorInteracciones entre portadores dentro y en la superficie delmaterial semiconductor

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1 Introduccion







8 Bibliografa

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Modelado del ruido

Modelado

Cuando nos referimos a ruido rosa significa que es inversamenteproporcional a la frecuencia (1/f ;)Ha habido muchos intentos para modelar los todos los detalles sinconseguirlo. Por ejemplo:

McWhorter refiere ruido Rosa el estado de superficie , eintroduce un modelo teorico basado en las constantes detiempo asociadas con la recombinacion del proceso.

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Modelado del ruido

Modelado

Handel desarrollo un modelo cuando el ruido Rosa estacondicionado por la emision de fotones cada vez que unportador de carga choca con la red .Bliek propuso un nuevo modelo de ruido Rosa a partir de lasuposicion de que este tipo de ruido es producido por lafluctuacion de un parametro, sujeto a la ecuacion de difusion

u

t= D2u

Donde es el operador laplacianoD es una constante.

Esta ecuacion es la misma que la utilizada para describir laconductividad termica o portador de difusion. A pesar detodo, esta ecuacion no es una representacion exacta del ruidoRosa

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Modelado del ruido

Modelado

Hooge propone una aproximacion emprica que sugiere que elruido rosa, puede estar relacionado con efectos a granel en losmedios de comunicacion disipativos .Segun Hooge , el ruido Rosa en los semiconductoreshomogeneos puede ser caracterizado por un parametro talque:

SR

R2=

fN

SR es la densidad espectral de potencia del ruido en laresistenciaR la resistencia del dispositivof la frecuencia de medicionN el numero total de portadores de carga libres .

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Modelado del ruido

Modelado

corresponde a la contribucion normalizada relativa al ruido de unsolo electron , por unidad de ancho de banda (suponiendo que lascontribuciones de otros electrones son independientes ) .Tambienhay que decir que depende de las propiedades de los materiales.

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Modelado del ruido

Modelado

Hay cientficos que demuestran que Hooge estaba equivocado, unamuestro de ello es este artculo:http://books.google.es/books?id=Cn5VAXy0KMgC&pg=PA49&dq=hooge+model+flicker+noise&hl=es&sa=X&ei=mHVdUouoHuqw7AamzYHwAQ&ved=0CDwQ6AEwAQ#v=snippet&q=hooge&f=false

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Modelado del ruido

Modelado Mas utilizado.

Normalmente el ruido rosa se modela como una fuente cuyapotencia disponible es:

Nf = k1

fh

fl

df

f= k1ln

fh

fl

Figura: tpico modelo del ruido flicker

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Modelado del ruido

Ejemplo

De esta forma, para una decada,(fh = 10fl ) la potencia disponiblees:

Nf = 2.3K

Ejemplo: Consideremos un amplificador cuya banda de paso seextiende desde dc hasta 1000Hz. Si ha estado encendido por 1 da,implica que su lmite i nferior de frecuencias alcanza 10 -5 Hz,abarcando 8 decadas. Si se lo deja encendido 100 das, se agregan2 decadas mas. Es decir (10/8) 1/2 o (1,25) 1/2 lo que significaque es 1,18 veces la potencia de ruido acumulada en 1 da.

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1 Introduccion







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Propiedades

Propiedades

Al ser un ruido que depende de la frecuencia, su PDF en elespectro no es gaussiana

Destaca mas cuando la corriente que genera se debe almovimiento de pocos portadores de carga

Se ha estudiado empricamente que afecta mas cuando lacalidad del aparato testeado es baja

Podra utilizarse como una medida de la calidad de un aparato,si esta condicion es estricta

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Propiedades

Porpiedades en distintos componentes

Transistor bipolar

Se debe sobretodo a la aparicion de traps (defectos en elcristal, impurezas) en la region de union base-emisor delcomponente

Los portadores se quedan atrapados en los defectos del cristaly luego se liberan, aleatoriamenteLa constante de tiempo de este fenomeno suele ser bastanteelevada, por eso este ruido se presenta mayoritariamente afrecuencias bajas

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Propiedades


Transistor bipolar

La corriente provocada por el ruido flicker es, segun Van der Ziel

i2 = K1I a

f bf

donde,

K1 es una constante que depende en parte de la temperatura

I es la corriente forward a traves del componente

f es el ancho de banda elemental centrado en f

La constante a esta en el rango de entre 0.5-2

La constante b esta cercana a la unidad

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Propiedades


Transistor bipolar

Si b = 1 la densidad de potencia espectral del ruido 1/fdecrece logartmicamente con la frecuencia:

Figure: Densidad de potencia espectral del ruido 1/f para b = 1

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Propiedades


Transistor bipolar

La orientacion del cristal afecta en el nivel de ruido:

Una orientacion (111) es peor que una (100), ya que ladensidad de estados aumenta, y es mas probable que sequeden los portadores de carga atrapadosLos transistores NPN suelen sufrir menos este tipo de ruido

Se puede regular este ruido anadiendo un terminal extrametalico colocado sobre el emisor y aplicando una tension enel mismo, ya que se modifica la densidad de portadores en lasuperficie

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Propiedades


Resistencias de pelcula de carbon

A menos que una corriente fluya a traves de la resistencia, nopuede haber ruido flicker en las resistencias de carbon

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Propiedades


Resistencias integradas

Depende de como se haya integrado la resistencia, si ha sidopor implantacion ionica o con una fina capa metalica

La tension provocada por el ruido flicker es, en las resistenciasintegradas

v 2 = KRR2AR

V 2DCff

donde,

KR depende de la tecnologa

AR es el area del resistor

R es la resistencia de un cubo

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Propiedades


Resistencias integradas de GaAs

Se sabe desde hace poco que el ruido flicker en este tipo deresistencias es proporcional al cuadrado de la tension quesoporta entre sus extremos

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1 Introduccion







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Midiendo el ruido en el laboratorio

Medicion del ruido

Los materiales semicondutores utilizados en transistores ydiodos dan origen a distintos tipos de ruido debido a lanaturaleza de los portadores discretos de carga.

Los terminos ruido shot y flicker son de la epoca de latecnologa de las valvulas o tubos de vaco.

Por lo tanto, analizaremos con un enfoque actualizado lasdiferentes causas de ruido en los dispositivos activos:

1 Ruido de contacto2 Ruido de transicion3 Ruido de modulacion

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Ruido de contacto

Este ruido se genera debido al contacto imperfecto entre dosmateriales, lo que causa que el flujo de corriente no sea constante.

Este ruido aparece:

Siempre que se unan dos conductores.

En transistores y diodos debido a las imperfecciones delcontacto o bien debido a las impurezas de la masa y superficiedel cristal.

En las resistencias de composicion. En este caso se conocecomo ruido de exceso.

En tubos o valvulas de vaco es referido como ruido flicker.

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Ruido de contacto

El ruido de contacto es directamente proporcional al valor dela corriente continua.

La densidad de potencia vara con la inversa de la frecuencia1/f

La distribucion es Gaussiana.

La expresion de la corriente de ruido viene dada por:

IfB KIdc

f

Idc es el valor promedio de la corriente [A].f es la frecuencia [Hz].K es una constante que depende del tipo de material y de sugeometra.B es el ancho de banda [Hz], centrado en la frecuencia f.

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Ruido de transicion

Cualquier modificacion a una corriente de portadoresconforme pasa desde la entrada hasta la salida de undispositivo produce una variacion aleatoria irregular calificadacomo ruido de transicion.

En un semiconductor ocurren fluctuaciones de carga. Estasson atribuidas a:

Fluctuaciones espontaneas en la generacion, recombinacion ycaptura de portadores.Al ruido termico de portadores en la banda de conduccion.

A bajas frecuencias, las fluctuaciones de carga contribuyen alruido flicker con una dependencia de la frecuencia que estarelacionada con el promedio de vida de los portadores en elmaterial semiconductor.

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Ruido de modulacion

Las fluctuaciones en el flujo de corriente se deben a que ladistribucion de la densidad de los portadores de carga no esuniforme en todo un dispositivo semiconductor.

Este fenomeno se produce en la superficie del cristalsemiconductor y en la parte activa de la base, cercano a laconexion de emisor.

Las lentas fluctuaciones crecen con el ruido 1/f.

Esto se da porque cerca de la union de emisor la impedanciade la base depende de la corriente. Esta impedancia es real afrecuencias donde el ruido flicker domina.

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Ruido de modulacion

La resistencia de base puede ser considerada como si sedividiera en una parte modulada y otra no modulada.

En la superficie, desaparecen los portadores que contribuyen ala conduccion de corriente y las fluctuaciones en este procesoresultan en una corriente de ruido cuya dependencia esidentica con aquella del ruido de disparo pero con espectro defrecuencia diferente.

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1 Introduccion







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Implementacion en simuladores

Implementacion en Pspice

Simulacion del Ruido Rosa

Para la simulacion hemos utilizado una Herramienta de EDA

pinchamos en START

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Medida del ruido Rosa

Obtenemos el siguiente menu donde podemos hacer variassimulacion el que nos interesa a nosotros es Measure Noise

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En los dispositivos MOS FET , se genera el ruido en el canal,por lo tanto, nos interesa Id.

La expresion para la densidad es:

S

f f= kf

IdAf

f Ef Cox L2effKF es determinada por la potencia vs caractersticas defrecuencia

Af se extrae mediante la variacion de la corriente depolarizacion.

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Extraccion el ruido

Para la extraccion seguimosestos pasos: Start > Extract >Select Vc

Extract all: Mide todos lospuntos de ruido.

Display all: Aparece ruido en elVc seleccionado

Close all: Cierra todas lasparcelas.

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Grafica del ruido Rosa

Grafica del ruido

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Extraccion de los parametros Af y Kf

Start > Extract > Extract Af,Kf

Podemos cambiar los valores deAf y Kf y el ruido se calculaautomaticamente.

Extraer todo: extraeautomaticamente Af y Kf

Display: Muestra todas lasgraficas.

Close All: Cierra todas lasgraficas.

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Grafica con Af y Kf distintos

Vemos en azul las nuevas fluctuaciones con los nuevosparametros

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1 Introduccion







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Articulo: On the Ficker noise in submicron silicon MOSFETs

Conclusiones del artculo

En general, reducir el tamano de los transistores aumenta elnivel de ruido 1/f y su dispersion

El oxido se puede danar y aparecer trampas, normalmentedebido a tecnicas avanzadas agresivas en el proceso defabricacion

Las arquitecturas complejas del dispositivo introducen fuentesde ruido parasito

Esto implica que el modelado del ruido para disenos analogicosse vuelve muy complejo

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Conclusiones del artculo

RTS (popcorn noise): en la ultima decada se ha profundizadoen su estudio porque se cree que es el principal motivo delruido 1/f

Aun no se ha resuelto la relacion exponencial entre ladensidad de potencia y los parametros estaticos

Muchos modelados incluidos en los simuladores estandar sonmuy sencillos y se buscan unos basados en modelos fsicosmas reales que aun estan en vas de desarrollo

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Modelos

Modelos

La corriente es proporcional al producto de la movilidad porla densidad de portadores de carga N

El ruido flicker afecta principalmente a estos dos elementos

Se han elaborado distintos modelos para cada unoEs difcil separar estas dos variables, lo que complica mucho elestudio del origen del ruido

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Modelos N

Modelos N

Estudian la fluctuacion de ladensidad de portadores a lolargo del tiempo

Un modelo tpico es el deMcWhorter

El ruido modelado es del tipo1/f

Modelo de McWhorter

Se usa para modelar transistoresde germanio

Los electrones cruzan el oxido atraves de una trampas en lainterfaz desde y hacia elsemiconductor

La principal casracterstica delmodelo McWhorter es quedepende de una constante detiempo de tunelado t

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Modelos N

Efecto tunel

Constante de tiempo de tunelado t

Marca el tiempo medio que tardan los electrones en cruzar unatrampa

t = t0et x

Este tiempo aumenta segun aumente la distancia x a la que seencuentren las trampas de la interfaz

A mayor profundidad de las trampas en la interfaz, mayor serael tiempo que tarden los electrones en cruzarla

Si las trampas estan cerca de la interfaz, mas facil tienen loselectrones cruzarla y menos tiempo tardan, aumentando lafrecuencia del tunelado

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Modelos N

Efecto tunel

En la expresion 1/f :

< 1: la densidad de trampas aumenta cerca de la interfaz > 1: las trampas estan mas alejadas de la interfaz

Segun lo que valga , el ruido sera mas visible a unasfrecuencias mayores o menores

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Modelos N

Efecto tunel

Segun una alternativa a McWhorter, de Fu y Sah, loselectrones suelen saltar de la trampa al semiconductor muchasveces, hasta que finalmente abandonan la interfaz

Aunque esta frecuencia pueda ser muy alta, normalmentetardan bastante en alejarse de la interfaz, por eso este ruido esmas prominente a bajas frecuencias

Segun lo que valga , el ruido sera mas visible a unasfrecuencias mayores o menores

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Modelos N

Activacion termica

El efecto tunel no es la unica forma de modificar la densidadde portadoras

Otra forma es por activacion termica de la trampa:

Una trampa obtiene suficiente energa como para capturar unelectronCasi de inmediato emite ese mismo electron, tras un tiempo derelajacion:

th = t0eE/kT

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Modelos N

Activacion termica

Se tiene para cada rango de energas [E0,E1] un perfil deenergas de activacion que dan lugar a un espectro de ruidodel tipo 1/f

se reducira a medida que aumente la temperatura

Pueden obtenerse modelos mixtos que tienen en cuenta tanto elefecto tunel como la activacion termica para rangos de espacio yenerga reducidos

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Modelos N

Ruido RTS

En MOSFETs de area pequena se puede observar un ruidoRTS, conocido como ruido del telegrafista o ruido popcorn

La suma de un conjunto de ruidos RTSs en un componente decierta area puede considerarse como uno de los elementosfundamentales del ruido flicker

Se le puede considerar as, dado que lo que hace es poner acero o a uno aleatoriamente la corriente en el drenador, algoparecido a la captura y emision de los electrones por lastrampas

Los tiempos en alta y en baja de la senal siguen unadistribucion de Poisson, con un valor medio que se puederelacionar con el mismo efecto visto en las trampas del oxidode la interfaz

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Modelos N

Ruido RTS

Sin embargo, si se estudia esta constante en funcion de latemperatura, se observa que tiene la misma tendencia que conel modelo de activacion termica

Dado que son tantas las variables que pueden afectar, es difcildar con un modelo cuantitativo de este ruido

Es mas facil obtener una densidad espectral del ruido para elMOSFET en operacion lineal

SVg =kTq2

8WLC 2oxt

Not (EF )f [V

2/Hz]

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Modelos N

Ruido RTS

Se puede observar en la ecuacion que no hay dependencia enun principio con la polarizacion del transistor

Esto se cumple siempre y cuando el canal del transistor no seamuy corto, como se va a ver despues

En los transistores de canal p se observa un perfil no uniforme,ya sea en la profundidad de las trampas, la energa, o ambos,provocando que tenga un valor variable.

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Modelos

Modelos

El mayor problema con el estudio del ruido es determinar lafuente de origen ya que hay muchas fluctuaciones que han deser consideradas.

El modelo fue el primero propuesto para explicar el ruidorosa en:

Semiconductores homogeneos.Resistencias para bajo ruido

Fue observado por Hooge que normalizo la densidad espectraldel ruido para un amplio rango de materiales

Hooge asume que el dispositivo cumple la ley de ohm de modoque la densidad espectral es proporcional a I 2

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Modelos

Ecuacion de Hooge

SII 2

=HNf

N es el numero de cargas en el conductor.

SI es la densidad espectral de la corriente del ruido

H se supuso constante para todos los materiales.

Era del orden de 103, pero ha ido cambiando segun haavanzado la calidad de los materiales.Los materiales de gran calidad tienen pequenas lo quecorresponde a un ruido rosa bajo y viceversa.En el caso del silicio el rango de valores va de 5 106 a2 103Este parametro junto al ruido rosa se usa para investigar lacalidad de la estructura y los defectos introducidos durente elproceso de la fabricacion de semiconductores.

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Modelos

En MOSFET

SVG (f ) =q

Cox

HWLf

(VGS VT )

SVG Es la densidad espectral del voltaje.

Es valida a lo largo de la tension umbral y dependelinealmente de la tension de puerta

Los dispositivos de canal p se adaptan mejor a esta ecuacion.

La separacion entre la capa de deplexion (donde losportadores mayoritarios cambian, de electron a hueco y dehueco a electron) y el interfaz y las trampas del oxido explicael bajo ruido rosa.

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Modelos

Cuestiones sin resolver

El problema de la teora de la movilidad es el debilcomportamiento en inversion debido a 1/N.

Esto implica que la corriente del ruido en el drenador creceexponencialmente en el umbral.

Otra cuestion sin resolver es la explicacion teorica de H , asque el parametro de Hooge esta considerado todava comoalgo experimental

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Modelos

Otros modelos

El modelo de Wolters propone que las fluctuacion de 1/f sondebidas a las fluctuaciones de la potencia disipada del sistema.

Otro modelo es el hbrido de formulado por Surya, dondelas fluctuaciones en la movilidad son causadas por el escaladode las trampas en el interfaz.

La movilidad de las cargas se considera independiente delnumero de fluctuaciones.Este modelo se ha usado para describir el ruido rosa endispositivos de canal p en funcion de la temperatura.

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Efectos del tamano del transistor

Problemas

Reducir el tamano supone reducir el grosor del oxido, con loque los electrones tienen mas facil trasladarse de la puerta alcanal por efecto tunel

Reducir el tamano implica tambien reducir el tamano delcanal, que tiene su parte positiva, pero en este contexto hayque tener en cuenta tambien que, a igualdad de tensionaplicada, afecta un campo electrico mayor en la zona, con loque los electrones tienen mayor facilidad de tunelarse

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Efectos del tamano del transistor

Solucion...

Romperse un poco mas la cabeza en el diseno

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1 Introduccion







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El ruido rosa, un ejemplo

Graficas del ruido rosa

Grafica A: Densidad de la corriente del ruidoGrafica B: Potencia del ruidoRIN es la intensidad relativa del ruido en diodos lasersEn baja frecuencia se ve un ruido 1/fEn frecuencias mayores nos encontramos con el ruido termicoy el blanco.

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1 Introduccion







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Bibliografa

Bibliografa

[Gabriel Vasilescu] Electronic Noise And Interfering Signals

http://materias.fi.uba.ar/6610/Apuntes/6610%20-%20Ruido 1 2011.pdf

http://www-elec.inaoep.mx/materesa/pdf/DCIAII 11/Tema4 11.pdf

http://ruido.wikispaces.com/RUIDO+EN+COMUNICACIONES

http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion 5 IT/IEC 4.pdf

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Bibliografa

Bibliografa

http://sedici.unlp.edu.ar/bitstream/handle/10915/1343/A -Ruido en mediciones de baja se%C3%B1al.pdf?sequence=11

http://dcse.die.upm.es/docs/R.pdf

http://www.silvaco.com/tech lib TCAD/simulationstandard/1997/jan/a1/a1.html

http://newport.eecs.uci.edu/eceware/ads docs/cktsimhb/ckhb044.html

http://edocs.soco.agilent.com/display/iccap2012/1-f+Noise+Extraction+Toolkit

IntroduccinModelado del ruidoPropiedadesPorpiedades en distintos componentes

Midiendo el ruido en el laboratorioImplementacin en simuladoresImplementacin en Pspice

Articulo: On the Ficker noise in submicron silicon MOSFETsModelosModelos NModelos Efectos del tamao del transistor

El ruido rosa, un ejemploBibliografa

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