Мерцание шума - Flicker noise

Фликкер-шум - это тип электронного шума со спектральной плотностью мощности 1 / f . Поэтому его часто называют 1 / f- шумом или розовым шумом , хотя эти термины имеют более широкие определения. Он встречается почти во всех электронных устройствах и может проявляться рядом других эффектов, таких как примеси в проводящем канале, генерация и рекомбинационный шум в транзисторе из-за тока базы и т. Д.

Свойства

Шум 1 / f в токе или напряжении обычно связан с постоянным током , поскольку колебания сопротивления преобразуются в колебания напряжения или тока по закону Ома. В резисторах также есть 1 / f- составляющая, через которую нет постоянного тока, вероятно, из-за колебаний температуры, модулирующих сопротивление. Этот эффект отсутствует в манганине , поскольку он имеет незначительный температурный коэффициент сопротивления .

В электронных устройствах это проявляется как низкочастотное явление, так как 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 .

Фликкер-шум часто характеризуется угловой частотой f c между областью, в которой преобладает низкочастотный фликкер-шум, и высокочастотным шумом "плоской полосы". Полевые МОП-транзисторы имеют более высокую f c (может быть в диапазоне ГГц), чем полевые транзисторы или биполярные транзисторы , которые обычно ниже 2 кГц для последних.

Обычно он имеет гауссово распределение и обратим во времени . Он генерируется линейным механизмом в резисторах и полевых транзисторах , но нелинейным механизмом в BJT и диодах .

Мощность напряжения фликкер-шума в MOSFET часто моделируется как , где K - зависящая от процесса константа, - емкость оксида в устройствах MOSFET, W и L - ширина и длина канала соответственно. Это эмпирическая модель, которую обычно считают чрезмерным упрощением.

Фликкер-шум встречается в резисторах из углеродной композиции и в толстопленочных резисторах , 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 остается низким, тепловой шум будет преобладающим эффектом в резисторе, а тип используемого резистора может не влиять на уровни шума, в зависимости от частотного окна.

Измерение

Измерение спектра шума 1 / f по напряжению или току выполняется так же, как и измерение других типов шумов. Анализаторы спектра выборки берут выборку за конечное время из шума и вычисляют преобразование Фурье с помощью алгоритма БПФ . Затем, после вычисления квадрата абсолютного значения спектра Фурье, они вычисляют его среднее значение, повторяя этот процесс выборки достаточно большое количество раз. Результирующая диаграмма пропорциональна спектру плотности мощности измеренного шума. Затем он нормируется на длительность выборки за конечное время, а также на числовую константу порядка 1, чтобы получить ее точное значение. Эта процедура дает правильные спектральные данные только глубоко в пределах частотного окна, определяемого обратной величиной длительности конечной временной выборки (низкочастотный конец) и цифровой частоты дискретизации шума (высокочастотный конец). Таким образом, верхняя и нижняя половины полученного спектра плотности мощности обычно исключаются из спектра. Обычные анализаторы спектра, которые просматривают сигнал в узкой фильтрованной полосе, имеют хорошее отношение сигнал / шум (SNR), поскольку они являются узкополосными приборами. К сожалению, эти инструменты не работают на достаточно низких частотах, чтобы полностью измерить фликкер-шум. Инструменты отбора проб являются широкополосными и, следовательно, имеют высокий уровень шума. Они уменьшают шум, беря несколько кривых отсчетов и усредняя их. Обычные анализаторы спектра по-прежнему имеют лучшее соотношение сигнал / шум из-за их узкополосного захвата.

Удаление в КИПиА

При измерениях постоянного тока шум 1 / f может быть особенно проблематичным, поскольку он очень важен на низких частотах, стремясь к бесконечности при интегрировании / усреднении на постоянном токе. На очень низких частотах можно думать, что шум становится дрейфом, хотя механизмы, вызывающие дрейф, обычно отличаются от фликкер-шума.

Один из эффективных методов заключается в перемещении интересующего сигнала на более высокую частоту и использовании фазочувствительного детектора для его измерения. Например, сигнал , представляющий интереса может быть нарезанным с частотой. Теперь сигнальная цепочка передает сигнал переменного, а не постоянного тока. Каскады со связью по переменному току отфильтровывают составляющую постоянного тока; это также уменьшает шум мерцания. Синхронный детектор , что образцы пики сигнала переменного тока, которые эквивалентны исходное значение постоянного тока. Другими словами, сначала низкочастотный сигнал сдвигается на высокую частоту путем умножения его на высокочастотную несущую, и он передается устройству, на которое воздействует фликкер-шум. Выходной сигнал устройства снова умножается на ту же несущую, поэтому предыдущий информационный сигнал возвращается в основную полосу частот, а фликкер-шум будет сдвинут на более высокую частоту, которую можно легко отфильтровать.

Смотрите также

Рекомендации

Ноты

внешние ссылки