Фликкер-шум — это тип электронного шума со спектральной плотностью мощности 1/ f . Поэтому его часто называют шумом 1/ f или розовым шумом , хотя эти термины имеют более широкие определения. Он встречается практически во всех электронных устройствах и может проявляться вместе с множеством других эффектов, таких как примеси в проводящем канале, шум генерации и рекомбинации в транзисторе из-за тока базы и т. д.
Шум 1/ f в токе или напряжении обычно связан с постоянным током , поскольку колебания сопротивления преобразуются в колебания напряжения или тока по закону Ома . Также существует компонент 1/ f в резисторах без постоянного тока через них, вероятно, из-за колебаний температуры, модулирующих сопротивление. Этот эффект отсутствует в манганине , поскольку 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. В генераторах , однако, низкочастотный шум может смешиваться с частотами, близкими к несущей , что приводит к фазовому шуму генератора .
Его вклад в общий шум характеризуется угловой частотой f c между низкочастотной областью, в которой доминирует шум мерцания, и высокочастотной областью, в которой доминирует плоский спектр белого шума. МОП-транзисторы имеют высокую f c (может быть в диапазоне ГГц). JFET и BJT имеют более низкую f c около 1 кГц , [3] но JFET обычно демонстрируют больше шума мерцания на низких частотах, чем BJT, и могут иметь f c до нескольких кГц в JFET, не выбранных для шума мерцания. [4]
Обычно он имеет гауссово распределение [ сомнительно – обсудите ] и обратим во времени . [5] Он генерируется линейным механизмом в резисторах и полевых транзисторах , но нелинейным механизмом в биполярных плоскостных транзисторах и диодах . [5]
Спектральная плотность напряжения мерцающего шума в МОП-транзисторах как функция частоты f часто моделируется как , где K — константа, зависящая от процесса, — емкость оксида , W и L — ширина и длина канала соответственно. [6] Это эмпирическая модель, и обычно считается, что она является чрезмерным упрощением. [7]
Шум мерцания обнаруживается в резисторах из углеродного состава и в толстопленочных резисторах , [8] где он называется избыточным шумом , поскольку он увеличивает общий уровень шума выше уровня теплового шума , который присутствует во всех резисторах. Напротив, проволочные резисторы имеют наименьшее количество шума мерцания. Поскольку шум мерцания связан с уровнем постоянного тока , если ток поддерживается низким, тепловой шум будет преобладающим эффектом в резисторе, а тип используемого резистора может не влиять на уровень шума, в зависимости от частотного окна.
Измерение спектра шума 1/ f в напряжении или токе выполняется таким же образом, как и измерение других типов шумов. Анализаторы спектра выборки берут конечную временную выборку 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. Полученная картина пропорциональна спектру плотности мощности измеренного шума. Затем она нормализуется по длительности конечной временной выборки, а также по числовой константе 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 полудекады полученного спектра плотности мощности обычно отбрасываются из спектра. Обычные анализаторы спектра, которые охватывают узкую отфильтрованную полосу сигнала, имеют хорошее отношение сигнал/шум (SNR), поскольку они являются узкополосными приборами. Эти приборы не работают на частотах, достаточно низких для полного измерения мерцательного шума. Инструменты для выборки широкополосные, и, следовательно, имеют высокий уровень шума. Они уменьшают шум, беря несколько трасс выборки и усредняя их. Обычные анализаторы спектра по-прежнему имеют лучшее отношение сигнал/шум из-за их узкополосного захвата.
Для измерений постоянного тока шум 1/ f может быть особенно неприятным, так как он очень значителен на низких частотах, стремясь к бесконечности при интегрировании/усреднении на постоянном токе. На очень низких частотах можно считать, 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, интересующий сигнал может быть прерван частотой. Теперь цепь сигнала несет сигнал переменного тока, а не постоянного тока. Связанные по переменному току каскады отфильтровывают компонент постоянного тока; это также ослабляет шум мерцания. Синхронный детектор , который отбирает пики сигнала переменного тока, которые эквивалентны исходному значению постоянного тока. Другими словами, сначала низкочастотный сигнал смещается на высокую частоту путем умножения его на высокочастотную несущую, и он подается на устройство, затронутое шумом мерцания. Выход устройства снова умножается на ту же несущую, поэтому предыдущий информационный сигнал возвращается в полосу частот, а шум мерцания будет смещен на более высокую частоту, которую можно легко отфильтровать.
