熱ノイズ、1/fノイズ等各種ノイズやジッタ・位相ノイズの発生の原理、 1/fノイズの測定方法

VLSI夏の学校

「LSI設計者のためのノイズ基礎講座

～理論から測定・対策技術まで～」

アジレント･テクノロジー株式会社EEsof EDA事業部

マーケティング・サービス部門

EDAテクニカルサポート・コンサルティング

塚原 正大August, 23, 2010

August 23, 20101

Rev.2

Agenda

ノイズの種類と発生原理

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

1/fノイズ測定の重要性

FETの1/fノイズ理論式

1/fノイズ測定方法

August 23, 20102

変数の定義

August 23, 20103

： ボルツマン定数(1.38×10-23 J/K)

： 電子の電荷量(1.602×10-19C)

： 絶対温度[K]

： 抵抗値[Ω]

： 周波数帯域幅 [Hz]

： フリッカーノイズ・パラメータ

： 単位面積当たりゲート酸化膜容量[F/m2]

： 実効チャネル長

： Noise Figure

： VCO発振パワー

： VCO発振周波数

： VCO変換利得[Hz/V]

： 共振回路のQ

：バラクタ雑音抵抗var

0

0

,

R

Q

k

f

P

F

L

C

KFAF

f

R

T

q

k

vco

eff

OX

Agenda

ノイズの種類と発生原理

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

1/fノイズ測定の重要性

FETの1/fノイズ理論式

1/fノイズ測定方法

August 23, 20104

ノイズの種類と発生原理~熱雑音~

説明・発生原理

– 抵抗体などで電流が流れていなくても、電子の不規則な熱振動によって発生するノイズ。つまり電子の熱運動によって引き起こされるノイズ。

別名

– ジョンソン・ナイキスト・ノイズ (発明者名)

– ジョンソン・ノイズ(発明者名)

– ホワイト・ノイズ、白色ノイズ(色)

– 研究者によっては、ショット・ノイズと 量子雑音として統一する場合がある

August 23, 20105

fkTRvn 42

R

fkTin

42

ノイズの種類と発生原理~ショット・ノイズ~

説明・発生原理

– トランジスタのPN接合には、ポテンシャルの壁が存在する。電子やホールは電荷をもった粒子とみなすことができるが、これら粒子がポテンシャル壁を越えるとき、電流は連続した値では流れない。この不連続な電流によって引き起こる雑音。

別名

– ホワイト・ノイズ、白色ノイズ(色)

– 研究者によっては、熱雑音と 量子雑音として統一する場合がある

August 23, 20106

fqIin 22

ノイズの種類と発生原理~1/fノイズ~

説明・発生原理

– すべての能動素子と一部の受動素子(一部の抵抗など)で見られるノイズで、雑音レベルが周波数に逆比例することから1/fノイズと呼ばれる。最初に真空管で観測され、“フリッカー(ふらつき)現象”と呼ばれたことから、フリッカーノイズとも呼ばれる。

– BJTの場合、ベース･エミッタ間の空乏層における汚染や結晶欠陥がトラップを発生させ、キャリア数が時間的にゆらぐことになる。このトラップは時間が長いほど確率が増すため、雑音レベルは周波数に逆比例する。

– MOS FETの場合、チャネル界面での欠陥によるトラップにより、キャリア数が時間的ゆらぎとして観測される。

別名

– フリッカー・ノイズ

– ピンク・ノイズ(色)

August 23, 20107

ff

IKFi

AF

BB

2

2

2 1

effOX

EF

AF

DD

LCf

IKFi

ノイズの種類と発生原理~RTSノイズ (1/2)~

説明・発生原理

– Random Telegraph Signal(RTS)ノイズまたはRandom Telegraph Noise(RTN)は、MOSトランジスタのゲート酸化膜の界面準位による電子のランダムな捕獲と放出が原因。従来の1/fノイズは、さまざまな時定数を持ったRTSが重ね合わされて観測されたものであると報告されている(次頁)。

– RTSノイズが発生すると、ポテンシャルは2つの状態の間を往復する。特定の周波数を超えると、周波数の2乗に反比例して(1/f2に比例して)減尐する。

別名

– ポップコーン・ノイズ

– バースト・ノイズ

– レッド・ノイズ (色)

August 23, 20108

-1

ノイズの種類と発生原理~RTSノイズ (2/2)~

August 23, 20109

RTS

RTS

RTS

RTS

RTS

RTS

-1

-2

RTS

1/fノイズはRTSノイズの重ね合わせ

RTSノイズが顕著に現れる場合は、1/fスロープにバンプが観測される

RTSノイズ測定の必要性 (何のためにRTSノイズ測定が必要か？)

設計サイドRTSノイズが発生しているかどうかを確認 → RTSノイズ低減をプロセスサイドへ要求 →

RTSノイズの小さなデバイスに変更 プロセスサイド

プロセス工程を変更し低ノイズプロセスへ、 Gate酸化膜の品質管理

ノイズの種類と発生原理~ノイズの色~

なぜノイズに色の名前が付いているのか？

– 可視光線のスペクトラムと周波数を対比して表現している。

August 23, 201010

可視光線の スペクトラム

– 熱雑音は全周波数に均等に含まれる＝白色光はRGBのすべてが均等に含まれるこの由来から、熱雑音はホワイトと呼ばれる。

– 1/f2ノイズは、低い周波数でより強力なエネルギーをもつことからレッドと呼ばれる。

– 1/fノイズは、ホワイトとレッドの中間から、ピンクと呼ばれる。

波長=750nm 波長=450nm

低周波 高周波ノイズの周波数

ノイズの種類と発生原理~まとめ~

August 23, 201011

RTSノイズ 熱雑音ショット・ノイズ

1/f11/f2 1/f0

名称

傾き

1/fノイズ

RTSノイズは、低周波側で発生するとは限らない

Agenda

ノイズの種類と発生原理

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

1/fノイズ測定の重要性

FETの1/fノイズ理論式

1/fノイズ測定方法

August 23, 201012

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

August 23, 201013

ノイズ

ディジタル・アプリケーション

ジッタ

アナログ・アプリケーション

位相ノイズ

ビットエラー率の低下

位相ノイズの低下=通信品質の

低下

タイムドメイン 周波数ドメイン

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係～ジッタ～

August 23, 201014

⊿v ノイズ

⊿Φ ジッタ

電圧ノイズ → ジッタジッタとは、信号の時間的ズレやゆらぎ

電圧

時間

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係～位相ノイズ～

August 23, 201015

1/f3

1/f2

1/f

Flat

1/f

Flat

デバ

イス・

ノイズ

発振器

位相ノイ

ズL

(fm)

周波数

fm オフセット周波数

023log10)(

2

0

3

0 Nf

fN

f

fNfL

mm

m

Lesson’s Equation

f0

2

2

0

0 83

Q

ff

P

FkTN c

fc

2

var

2

2

0

0

2

82

m

vco

f

kkTR

Q

f

P

FkTN

0

0P

FkTN

位相ノイズとは、発振周波数の短期的ゆらぎ

Agenda

ノイズの種類と発生原理

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

1/fノイズ測定の重要性

FETの1/fノイズ理論式

1/fノイズ測定方法

August 23, 201016

1/fノイズ測定の重要性～測定の重要性～ジッタや発振器の位相ノイズを決定づける重要な特性。

August 23, 201017

32nm

28nm

25nm

23nm

20nm

18nm

16nm

14nm

13nm

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2004 2006 2008 2010 2012 2014

YEAR

Supply

Volt

age

[V

]

-50nm

-40nm

-30nm

-20nm

-10nm

0nm

10nm

20nm

30nm

40nm

50nm

Vdd@High Performance

Vdd@Low Performance

Process Technology

2005 ITRS(国際半導体技術ロードマップ)より1/fノイズ測定の要求が

高まる

微細化による低電圧化

信号振幅に低下によるS/N比劣化

ノイズレベル低減が必要

1/fノイズ測定の重要性～シミュレーションの重要性(ジッタ 1/2)～

August 23, 201018

ジッタ大 ジッタ小

シミュレーション

実測

1/fノイズ測定の重要性～シミュレーションの重要性(ジッタ 2/2)～

August 23, 201019

1/fノイズ測定の重要性～シミュレーションの重要性(位相ノイズ)～

August 23, 201020

Agenda

ノイズの種類と発生原理

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

1/fノイズ測定の重要性

FETの1/fノイズ理論式

1/fノイズ測定方法

August 23, 201021

FETの1/fノイズ理論式～等価回路図～

August 23, 201022

ゲート電流によるショット

ノイズ

1/fノイズ

ドレイン電流によるショットノイズ

RSOURCEによる熱雑音

RLOADによる熱雑音

FETの1/fノイズ理論式～1/fノイズ理論式～

August 23, 201023

/Hz][A

11

1

4 2

2

2

LOADds

LOADni

Rr

fkTRvS

d

雑音電圧→雑音電流変換式

vn

BJTの1/fノイズ理論式～1/fノイズ理論式～

雑音電圧→ベース雑音電流変換式

vn

August 23, 201024

2

2

2

2

2

2

)(4

11

1

4

rrR

rRrg

rrR

rrRkTg

rR

kTRV

S

bbSOURCE

bbSOURCEm

bbSOURCE

bbSOURCEm

ceLOAD

LOADn

ib

Agenda

ノイズの種類と発生原理

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

1/fノイズ測定の重要性

FETの1/fノイズ理論式

1/fノイズ測定方法

August 23, 201025

1/fノイズ測定方法～測定原理図～

August 23, 201026

PreAMP

RSOURCE

RLOAD

Signal Analyzer

Sid

vn

1. バイアス源は低ノイズであること(電池レベル)

2. 適切なRSOURCE、RLOADが設定できること3. PreAMPは低ノイズ・高Gainであること4. 太線部の配線は短いこと → 長いと寄生容量によりロールオフが低域で発生

1/fノイズ測定方法～ロールオフ～

August 23, 201027

入力側寄生容量CIN

出力側寄生容量COUT

SOURCEIN

INoffrollRC

f

2

1|

LOADds

OUT

OUToffroll

Rr

C

f

11

12

1|

低い方でロールオフは決まる

-20dB/dec

1/fノイズ測定方法～測定ソリューション～

August 23, 201028

Agilent 4142B/4155/4156/B1500ADC Source/Monitor

Agilent 89410A/89600AVector Signal Analyzer

Agilent 35670ADynamic Signal Analyzer

Agilent E444xAPrecision Spectrum Analyzer

Agilent E5052BSignal Source Analyzer

Agilent Control Unit

Agilent Resistor Unit

Resistor / Filter

Pre-Amp Agilent 41800A

Active Probe

IEEE1394 (for 89600A)

GP-IB (for 89410A/35670A/E444xA/E5052B)

USB2.0Windows XP

DUT

1/fノイズ測定方法～低システムノイズ～

August 23, 201029

-200

-180

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08

No

ise

Vo

lta

ge

[d

BV

^2

/Hz]

Freq [Hz]

System Noise

-177dBV2/Hz

1E-25A2/Hz

100Ω熱雑音と等価

1/fノイズ測定方法～ウェハ・プローバーとの親和性(Cascade社)～

August 23, 201030

1/fノイズ測定方法～ウェハ・プローバーとの親和性(元SUSS社)～

August 23, 201031

SIGMA EMC Guard

1/fノイズ測定方法～超高速ノイズ測定～

August 23, 201032

x3 by SW

x3.5 by HW

x10.5

1/fノイズ測定方法～高品質ノイズ測定～

August 23, 201033

Results of E5052BResults of 89610A

DUT : NMOS

Bias : Id=1uA, 100uA, 10mA / Vds=1V

1/fノイズ測定方法～使い勝手の良いソフトウェア(1/2)～

August 23, 201034

システムノイズとの比較が

容易

ロールオフ周波数表示

出力雑音電流の表示

入力雑音電圧の表示

1/fノイズ測定方法～使い勝手の良いソフトウェア(2/2)～

August 23, 201035

RTSノイズの表示

まとめ

ノイズの種類と発生原理

熱雑音、ショット・ノイズ、1/fノイズ、RTSノイズ、ノイズの色

ノイズとジッタ／位相ノイズとの関係

ジッタと位相ノイズの発生理論

1/fノイズ測定の重要性

電圧低下→S/N比劣化→1/fノイズの低減化→1/fノイズの測定が必要

FETの1/fノイズ理論式

Vn→Sid計算式

1/fノイズ測定方法

自前で測定システムを構築するためには、

① ノイズ理論の熟知

② 測定原理、測定器の原理の熟知

③ ハードウェア＆ソフトウェア構築力

④ 経験

の十分なスキルが必要で、かなり困難。

信頼のおけるベンダーから提供されている測定ソリューションを選択される方が簡単で確実。(お客様の声：自作システムでは、測定のたびに結果が変わり、本当にデバイスのノイズを測定できているのか不安 )

August 23, 201036

1/fノイズ測定システムのご紹介

カタログhttp://jp.tm.agilent.com/tmo/eda/tdc/pdf/fnoise_intro_rev3.0.pdf

http://jp.tm.agilent.com/tmo/eda/tdc.shtml

測定システムを導入いただいたお客様の声旭化成エレクトロニクス様http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5990-6037JAJP.pdf

お問合せ先 (EDA担当営業をご指名ください。)Phone: 0120-421-345 (9:00～18:00)Fax: 0120-421-678 (24時間受付)E-mail: contact_japan@agilent.com (24時間受付)

August 23, 201037