フリッカーノイズ：働く、消す、違いとその応用

オペアンプにはさまざまなノイズ源があります ( オペアンプ ）しかし、最も謎めいたノイズ源はフリッカーノイズです。これは、トランジスタのバイアス電流による伝導レーン内の不規則性とノイズによって引き起こされます。このノイズは、周波数によって反比例して増大するため、1/f ノイズと呼ばれることがよくあります。このノイズは、より高い周波数でも存在します。ただし、オペアンプの他のノイズ源が制御を開始し、1/f ノイズ効果に対抗します。このノイズは、操作上のようなすべての電子機器に影響を与えます アンプ ただし、このノイズ源には、低周波データ収集システム内での制限はありません。低オフセット ドリフトや低初期オフセットなどの最高の DC 性能を提供するために、ゼロドリフト アンプには、低周波数アプリケーションにとって非常に重要なフリッカー ノイズを除去するという追加の利点もあります。この記事では、概要について説明します ちらつきノイズ –作業とそのアプリケーション.

フリッカーノイズ/フリッカーノイズの定義とは?

フリッカー ノイズまたは 1/f ノイズは、ほぼすべての電子デバイスで単純に発生する電子ノイズの一種であり、導電チャネル内の不純物、ベース電流によるトランジスタ内の生成および再結合ノイズなど、さまざまな他の影響を伴う可能性があります。このノイズは、ピンク ノイズまたは 1/f ノイズと呼ばれることがよくあります。このノイズは主にすべての電子機器で発生し、さまざまな原因がありますが、これらは一般的に直流電流に関連しています。それは多くの電子分野で重要であり、RF ソースとして利用される発振器で重要です。

このノイズは、周波数が高くなるとこのノイズのパワー スペクトル密度が増加するため、低周波ノイズとも呼ばれます。このノイズは通常、数 KHz 未満で観測できます。フリッカ ノイズの帯域幅は 10 MHz ～ 10 Hz です。

フリッカ ノイズの式

フリッカーノイズは、ほとんどすべての電子部品で単純に発生します。したがって、このノイズは、トランジスタなどの半導体デバイスに関連して言及されています。 MOSFET デバイス。このノイズは次のように表すことができます。

S(f) = K/f

フリッカーノイズの動作原理

フリッカー ノイズは、すべての抵抗器に存在する熱ノイズ レベルを上回る全体的なノイズ レベルを増加させることによって機能します。このノイズは、厚膜 & カーボン合成抵抗器 、過剰ノイズとして知られているところはどこでも、対照的に、巻線抵抗器はフリッカーノイズの量が最も少ない.

このノイズは、2 つの材料の界面間でランダムにトラップおよび放出される電荷​​キャリアによって引き起こされる可能性があります。したがって、この現象は通常、電気信号を記録する計装アンプに使用される半導体で発生します。

このノイズは単純に周波数の反対に比例します。 RF オシレーターのような多くのアプリケーションでは、ショット ノイズや熱ノイズなどのソースからのホワイト ノイズが支配的な場所に、ノイズが支配的な領域やその他の領域が数多くあります。一般に、適切に設計されたシステムでは、低周波数でのこのノイズが支配的です。

1/F ノイズの除去

一般的に、チョッピングまたは チョッパー 増幅器のオフセット電圧を低減するために、安定化技術が使用されます。しかし、フリッカノイズはDC低周波ノイズに近いため、この手法を使用することで効率的に低減できます。この手法は、i/p ステージで i/p 信号をチョッピングまたは交替し、その後再び o/p ステージで信号をチョッピングすることで簡単に機能します。したがって、これは等しいです 変調 方形波で。

上記の ADA4522 ブロック図では、i/p 信号は、CHOP でチョッピング周波数に簡単に変調できます。 _の ステージ。 CHOPでのi/p信号 _外 ステージは同期復調されて初期周波数に戻ります。同時に、アンプの i/p ステージのフリッカー ノイズとオフセットは単純にチョッピング周波数に変調されます。

元のオフセット電圧が減少するだけでなく、オフセット内の変化と同相電圧が減少するため、非常に優れた DC 直線性と高い CMRR (同相除去比) が得られます。チョッピングはオフセット電圧のドリフトと温度も低下させます。この理由から、チョッピングを使用するアンプはゼロドリフト アンプと呼ばれることがよくあります。ここで考慮しなければならない重要な点の 1 つは、ゼロドリフト アンプはアンプのフリッカー ノイズのみを除去するということです。センサーなどのさまざまなソースからのちらつきノイズは、そのまま通過します。

チョッピングに使用されるトレードオフは、スイッチング アーティファクトを出力に設定し、入力バイアス電流を増大させることです。アンプ出力では、オシロスコープで見るとリップルとグリッチが見え、スペクトル アナライザで見るとノイズのスペクトル密度にノイズのスパイクが見えます。アナログ デバイスの ADA4522 ゼロドリフト アンプ ファミリなどの最新のゼロドリフト アンプは、特許取得済みのオフセットとリップル補正ループ回路を利用して、スイッチング アーティファクトを低減します。

チョッピングは ADC にも使用されます。 計装アンプ .チョッピングは、AD8237 真のレールツーレール、AD7124-4 低ノイズ & 低消費電力、ゼロドリフト計装アンプ、24 ビット Σ-Δ ADC、32 ビット Σ-Δ ADC などのさまざまなデバイスでこのノイズを除去するために使用されます。 、AD7177-2超低ノイズなど

方形波変調を使用する主な欠点の 1 つは、これらの波にさまざまな高調波があることです。そのため、すべての高調波でのノイズが DC バックに復調されます。これの代わりに、正弦波変調を使用すると、ノイズの影響を受けにくくなり、干渉が存在する大きなノイズの中で非常に小さな信号を改善できます。したがって、このアプローチはロックインアンプを介して使用されます。

熱雑音とフリッカ雑音の違い

熱雑音とフリッカ ノイズの違いについては、以下で説明します。

MOSFETのフリッカーノイズとは？

MOSFET は GHz 範囲のような高いカットオフ周波数 (fc) を持っていますが、 BJT & JFET のカットオフ周波数は 1 kHz のように低くなります。一般に、低周波数での JFET は、BJT と比較してより多くのノイズを示し、数 kHz のような高い「fc」を持つ可能性があり、フリッカー ノイズには適していません。

長所と短所

の フリッカーノイズのメリット 以下のものが含まれます。

• これは低周波ノイズなので、周波数が高くなるとこのノイズは減少します。
• これは、デバイスの製造手順と物理に関連する半導体デバイス内の固有のノイズです。
• この影響は通常、電子部品内の低周波数で観察されます。

の フリッカーノイズのデメリット 以下のものが含まれます。

• 高精度の DC シグナル チェーンでは、このノイズによって性能が制限される可能性があります。
• 全体的なノイズ レベルは、すべてのタイプの抵抗器の熱ノイズ レベルよりも大きくなる可能性があります。
• 周波数に依存します。

アプリケーション

の フリッカーノイズの応用 e には以下が含まれます。

• このノイズは、一部の受動デバイスとすべての能動電子部品で見られます。
• この現象は通常、主に計装アンプで電気信号を記録するために使用される半導体内で発生します。
• BJT のこのノイズは、デバイスの増幅限界を決定します。
• カーボン合成抵抗器で発生するノイズです。
• 一般に、このノイズはアクティブなデバイスで発生します。これは、電荷がランダムな動作をするためです。

Q)。フリッカー ノイズがピンクと見なされるのはなぜですか?

ピンク ノイズは、スペクトル パワー密度が 1 オクターブあたり 3 dB 減少するため、フリッカー ノイズとも呼ばれます。したがって、ピンク ノイズ バンド パワーは周波数に反比例します。周波数が高くなると、電力は低くなります。

Q)、ちらつきノイズを取り除くにはどうすればよいですか?

このノイズは、アンプのオフセット電圧を低減するチョッパー安定化技術によって効率的に低減できます。

Q)。フリッカーノイズはどのように測定されますか?

電流または電圧のフリッカ ノイズ測定は、他の種類のノイズ測定と同様に行うことができます。サンプリング スペクトル アナライザー機器は、ノイズから有限時間サンプルを取得し、FFT アルゴリズムを介してフーリエ変換を計算します。これらの計測器は、このノイズを完全に測定するために低周波数では機能しません。そのため、サンプリング機器は広帯域でノイズが多いです。これらは、複数のサンプル トレースを使用してそれらを平均化することにより、ノイズを減らすことができます。従来型のスペクトラム・アナライザ機器は、狭帯域の捕捉のために依然として優れた SNR を持っています。

したがって、これは フリッカーノイズの概要 – アプリケーションの操作。フリッカノイズの特徴は次のとおりです。このノイズは、周波数が低下すると増加します。このノイズは、電子デバイス内の DC 電流に関連しており、オクターブごとに同じ電力内容を含んでいます。ホワイトノイズとは何ですか？