Мерцающий шум

Фликкер-шум — это тип электронного шума 1/ f со спектральной плотностью мощности . Поэтому его часто называют 1/ f -шумом или розовым шумом , хотя эти термины имеют более широкое определение. Это происходит почти во всех электронных устройствах и может проявляться рядом других эффектов, таких как примеси в проводящем канале, шум генерации и рекомбинации в транзисторе из-за тока базы и т. д.

Характеристики

1/ f шум по току или напряжению обычно связан с постоянным током , поскольку колебания сопротивления преобразуются в колебания напряжения или тока по закону Ома . В резисторах, через которые не проходит постоянный ток, также присутствует составляющая 1/ f , вероятно, из-за колебаний температуры, модулирующих сопротивление. Этот эффект отсутствует в манганине , так как он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления . ^[1]^[2]

В электронных устройствах это проявляется как низкочастотное явление, поскольку более высокие частоты затмеваются белым шумом от других источников. Однако в генераторах низкочастотный шум может смешиваться до частот, близких к несущей , что приводит к фазовому шуму генератора .

Его вклад в общий шум характеризуется угловой частотой f _c между низкочастотной областью, в которой доминирует фликкер-шум, и высокочастотной областью, в которой доминирует плоский спектр белого шума. МОП-транзисторы имеют высокую f _c (может находиться в диапазоне ГГц). JFET и BJT имеют более низкую около _{частоту} 1 кГц , ^[3] но JFET обычно демонстрируют больше фликкер-шума на низких частотах, чем BJT, и могут иметь f _c до нескольких кГц в JFET, не выбранных для фликкер-шума. ^[4]

Обычно он имеет распределение Гаусса. ^{[ сомнительно – обсудить ]} и является обратимым во времени . ^[5] Он генерируется линейным механизмом в резисторах и полевых транзисторах , но нелинейным механизмом в биполярных транзисторах и диодах . ^[5]

Спектральная плотность напряжения фликкер-шума в МОП-транзисторах как функция частоты f часто моделируется как ${\tfrac {K}{C_{\text{ox}}\cdot WLf}}$ , где K — константа, зависящая от процесса, $C_{\text{ox}}$ – оксида емкость , W и L – ширина и длина канала соответственно. ^[6] Это эмпирическая модель, и ее обычно считают чрезмерным упрощением. ^[7]

Фликкер-шум встречается в резисторах из углеродного состава и толстопленочных резисторах . ^[8] где его называют избыточным шумом , поскольку он увеличивает общий уровень шума выше уровня теплового шума , который присутствует во всех резисторах. Напротив, резисторы с проволочной обмоткой имеют наименьшее количество фликкер-шума. Поскольку фликкер-шум связан с уровнем постоянного тока , если ток поддерживается низким, тепловой шум будет преобладающим эффектом в резисторе, и тип используемого резистора может не влиять на уровень шума, в зависимости от частотного окна.

Измерение

Измерение спектра шума 1/ f по напряжению или току производится так же, как и измерение других типов шумов. Анализаторы спектра с дискретизацией берут выборку шума за конечное время и вычисляют преобразование Фурье с помощью алгоритма БПФ . Затем, вычислив квадрат абсолютного значения спектра Фурье, вычисляют его среднее значение, повторяя этот процесс выборки достаточно большое количество раз. Результирующая диаграмма пропорциональна спектру плотности мощности измеренного шума. Затем он нормализуется по продолжительности выборки за конечное время, а также по числовой константе порядка 1, чтобы получить ее точное значение. Эта процедура дает правильные спектральные данные только глубоко внутри частотного окна, определяемого обратной величиной длительности выборки за конечное время (низкочастотный конец) и цифровой частоты дискретизации шума (высокочастотный конец). Таким образом, верхняя и нижняя полудекады полученного спектра плотности мощности обычно отбрасываются из спектра. Обычные анализаторы спектра, которые сканируют узкую отфильтрованную полосу сигнала, имеют хорошее отношение сигнал/шум (SNR), поскольку они являются узкополосными приборами. Эти приборы не работают на достаточно низких частотах, чтобы полностью измерить фликкер-шум. Приборы отбора проб широкополосны и, следовательно, имеют высокий уровень шума. Они уменьшают шум, беря несколько выборок трасс и усредняя их. Обычные анализаторы спектра по-прежнему имеют лучшее соотношение сигнал-шум из-за узкополосного сбора данных.

Удаление в приборах и измерениях

При измерениях постоянного тока шум 1/ f может быть особенно проблематичным, поскольку он очень значителен на низких частотах и стремится к бесконечности при интегрировании/усреднении при постоянном токе. На очень низких частотах шум можно рассматривать как дрейф, хотя механизмы, вызывающие дрейф, обычно отличаются от мерцающего шума.

Один из мощных методов заключается в перемещении интересующего сигнала на более высокую частоту и использовании фазочувствительного детектора для его измерения. Например, интересующий сигнал можно разделить по частоте. Теперь сигнальная цепь несет сигнал переменного, а не постоянного тока. Ступени, связанные по переменному току, отфильтровывают составляющую постоянного тока; это также ослабляет мерцающий шум. Синхронный детектор , который производит выборку пиков сигнала переменного тока, которые эквивалентны исходному значению постоянного тока. Другими словами, сначала низкочастотный сигнал смещается в высокочастотный путем умножения его на высокочастотную несущую и подается на устройство, на которое воздействует фликкер-шум. Выходной сигнал устройства снова умножается на ту же несущую, поэтому предыдущий информационный сигнал возвращается в базовую полосу, а мерцающий шум смещается в сторону более высоких частот, которые можно легко отфильтровать.

См. также

Ссылки

^ Восс, Ричард Ф.; Кларк, Джон (15 января 1976 г.). «Мерцание (1/ f ) шум: равновесная температура и колебания сопротивления». Физический обзор B . 13 (2): 556–573. Бибкод : 1976PhRvB..13..556V . дои : 10.1103/PhysRevB.13.556 .
^ Бек, HGE; Спрут, В.П. (1 июня 1978 г.). «Шум 1/ f в дисперсии шума Джонсона» . Журнал прикладной физики . 49 (6): 3384–3385. Бибкод : 1978JAP....49.3384B . дои : 10.1063/1.325240 . ISSN 0021-8979 .
^ «AN-6602: Малошумящий JFET — средство решения проблем с шумом» (PDF) . онсеми . 16 июля 2015 г. Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2021 г. Проверено 26 августа 2022 г.
^ Лич, Маршалл. «Сравнение JFET и BJT» (PDF) . Технологического института Джорджии Наследие выщелачивания ECE . Архивировано (PDF) из оригинала 26 августа 2022 г. Проверено 26 августа 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б Восс, Ричард Ф. (3 апреля 1978 г.). «Линейность 1/ f механизмов шума». Письма о физических отзывах . 40 (14): 913–916. Бибкод : 1978PhRvL..40..913V . дои : 10.1103/physrevlett.40.913 .
^ Бехзад Разави , Проектирование аналоговых интегральных схем КМОП, McGraw-Hill, 2000, Глава 7: Шум.
^ Лундберг, Кент Х. «Источники шума в объемных КМОП» (PDF) .
^ Дженкинс, Рик. «Весь шум в резисторах» . Хартман Техника . Архивировано из оригинала 6 июня 2014 г. Проверено 5 июня 2014 г.

Примечания

Джонсон, Дж. Б. (1925). «Эффект Шоттки в низкочастотных цепях». Физический обзор . 26 (1): 71–85. Бибкод : 1925PhRv...26...71J . дои : 10.1103/PhysRev.26.71 .
Шоттки, В. (1918). «О самопроизвольных колебаниях тока в различных проводниках электричества» . Анналы физики . 362 (23): 541–567. Бибкод : 1918АнП...362..541С . дои : 10.1002/andp.19183622304 .
Шоттки, В. (1922). «О расчете и оценке эффекта выстрела» . Анналы физики . 373 (10): 157–176. Бибкод : 1922АнП...373..157С . дои : 10.1002/andp.19223731007 .

Внешние ссылки

[1] Восс, Ричард Ф.; Кларк, Джон (15 января 1976 г.). «Мерцание (1/ f ) шум: равновесная температура и колебания сопротивления». Физический обзор B . 13 (2): 556–573. Бибкод : 1976PhRvB..13..556V . дои : 10.1103/PhysRevB.13.556 .

[2] Бек, HGE; Спрут, В.П. (1 июня 1978 г.). «Шум 1/ f в дисперсии шума Джонсона» . Журнал прикладной физики . 49 (6): 3384–3385. Бибкод : 1978JAP....49.3384B . дои : 10.1063/1.325240 . ISSN 0021-8979 .

[:1-3] «AN-6602: Малошумящий JFET — средство решения проблем с шумом» (PDF) . онсеми . 16 июля 2015 г. Архивировано (PDF) из оригинала 2 февраля 2021 г. Проверено 26 августа 2022 г.

[4] Лич, Маршалл. «Сравнение JFET и BJT» (PDF) . Технологического института Джорджии Наследие выщелачивания ECE . Архивировано (PDF) из оригинала 26 августа 2022 г. Проверено 26 августа 2022 г.

[:0-5] Jump up to: ^а ^б Восс, Ричард Ф. (3 апреля 1978 г.). «Линейность 1/ f механизмов шума». Письма о физических отзывах . 40 (14): 913–916. Бибкод : 1978PhRvL..40..913V . дои : 10.1103/physrevlett.40.913 .

[6] Бехзад Разави , Проектирование аналоговых интегральных схем КМОП, McGraw-Hill, 2000, Глава 7: Шум.

[7] Лундберг, Кент Х. «Источники шума в объемных КМОП» (PDF) .

[8] Дженкинс, Рик. «Весь шум в резисторах» . Хартман Техника . Архивировано из оригинала 6 июня 2014 г. Проверено 5 июня 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]