1/fノイズ（フリッカーノイズ）を理解する

1/fノイズ入門

1/fノイズ（フリッカーノイズまたはピンクノイズとも呼ばれる）_【1]1/fノイズは、周波数が低くなるにつれて強度が増す低周波ノイズの一種です。半導体、抵抗器、センサー、さらには自然界にも現れ、ADC、RF回路、発振器などの精密電子機器の性能を制限する可能性があります。すべての周波数で等しい電力を持つホワイトノイズとは異なり、1/fノイズは低周波数で支配的になり、測定が困難です。従来のスペクトラムアナライザとロックインアンプはXNUMX/fノイズの測定によく使用されますが、意味のあるデータを取得するには長い積分時間が必要です。測定機器は、小さな変動を捉えながら、フリッカーノイズを正確に捉えるのに十分な低周波数まで到達するために、非常に高いダイナミックレンジを備えている必要があります。多くのスペクトラムアナライザはkHz範囲の最小周波数にしか到達しないため、半導体テストエンジニアは、被試験デバイスの全周波数範囲を正確に特性評価するために、カスタムソリューションを開発する必要があります。 スペクトラムアナライザー 高感度、真の 0 Hz 最小周波数、低分解能帯域幅により、高価で時間のかかるカスタム測定ソリューションが不要になります。

この記事では、1/fノイズとは何か、なぜ発生するのか、物理学、電子工学、信号処理における測定にどのような影響を与えるのかを説明します。また、1/fノイズを測定する最適な方法と、研究・エンジニアリング分野におけるフリッカーノイズの分析、管理、軽減を容易にする方法についても解説します。

1/f ノイズ (フリッカー ノイズとも呼ばれる) とは何ですか?

1/fノイズはランダムノイズの一種で、 パワースペクトル密度 周波数に反比例します。つまり、周波数が低いほど、ノイズの影響は大きくなります。_【2]

• • ちらつきノイズ
  • 1/fノイズ
  • ピンクノイズ

このタイプのノイズは、すべての周波数にわたって等しいパワーを持つホワイト ノイズや、主に温度によって決まる熱ノイズとは異なります。

1/f ノイズの原因は何ですか?

半導体1/fノイズ

MOSFETやBJTなどの半導体デバイスでは、フリッカーノイズは酸化物半導体界面付近の欠陥における電荷の捕捉と放出、あるいはキャリア移動度の変動に起因します。そのため、低周波数領域では特に問題となり、熱ノイズよりもフリッカーノイズが支配的になることがあります。

オペアンプやデータコンバータなどの一般的な集積回路 (IC) の場合、これによってパフォーマンスが制限され、不要な信号の不純物が導入される可能性があります。

オペアンプにおける1/fノイズの影響:_【3]

• • 1/f ノイズは低周波数で最も顕著になるため、オペアンプの入力段によってデバイス全体のノイズ フロアが設定されることがよくあります。
  • フリッカー ノイズは、低周波ドリフトやオフセットの不安定性につながる可能性があります。

1/f ノイズがデータ コンバータ (ADC/DAC) に与える影響:_【4]

• • アナログ/デジタル コンバータ (ADC) では、フリッカー ノイズによって低い入力周波数での有効ビット数 (ENOB) が制限され、小さな信号がノイズ フロアに埋もれてしまいます。
  • デジタル/アナログ コンバーター (DAC) では、フリッカー ノイズによってスペクトルの不純度が生じ、直線性が低下する可能性があります。
  • ADC と DAC の両方において、1/f ノイズはタイミングに関してシステム精度を低下させる可能性があります。

 

これらの効果のため、多くのデータシートでは高精度 IC の 1/f コーナー周波数が指定されており、効果的に理解して測定することが重要な仕様となっています。

1/f ノイズは測定にどのような影響を与えますか?

フリッカーノイズは小さな信号を覆い隠し、機器の分解能を制限する可能性があります。低周波数で増加するため、特に信号が時間の経過とともにゆっくりと変化する長期安定性測定や実験に影響を与えます。

研究者やエンジニアにとって、これは、フリッカー ノイズの影響を大きく受けずに主要な DUT 信号を検出できる実験を設計し、計測器を選択することを意味します。

物理学における1/fノイズ

物理学の実験では、1/fノイズが検出器の感度を制限する。 弱い信号を測定する光学装置のフォトダイオードや量子研究における超伝導デバイスなど、様々な分野でフリッカーノイズが問題となっています。また、時間領域安定性研究においてもフリッカーノイズが発生する可能性があり、真の物理的影響の分離が困難になります。これは、水晶発振器、原子時計、超伝導空洞共振器といった高精度時間標準にも影響を与えます。 アラン分散 不安定性の原因を理解するのに役立ちます。_【5] ゼロデッドタイム、ギャップレスイベント検出器のような タイム&周波数アナライザ or 位相計 リアルタイムで安定性を測定すると、データを記録し、後処理ですべての分析を構築する場合とは対照的に、テストのスループットを高速化できます。

電子機器における1/fノイズ

電子機器において、1/fノイズはアンプ、センサー、ADCの低周波領域における主要なノイズ源です。高精度アナログ回路、RFフロントエンド、MEMSデバイスは特に影響を受けやすいため、エンジニアは低フリッカーノイズ特性を備えた部品を選定する必要があることがよくあります。

信号処理における1/fノイズ

信号をデジタル化して解析する際に、フリッカーノイズは結果を歪ませ、微弱な信号を見えにくくし、フィルタリング要件を複雑化させる可能性があります。測定システムのノイズフロアを理解し、そのうち1/fノイズがどの程度影響しているかを把握することは、正確な結果を得るために不可欠です。

スペクトラムアナライザの1/fノイズ

スペクトラム・アナライザは、周波数帯域全体にわたるノイズの観測に広く用いられます。しかし、非常に低い周波数では、アナライザ自身の内部ノイズが支配的になり、機器のノイズフロアと被測定デバイスの実際の1/fノイズを区別することが困難になります。低周波数帯域で低ノイズのスペクトラム・アナライザを見つけるのは困難で、費用も高額になる場合があります。

ロックインアンプの1/fノイズ

ロックインアンプはノイズの多い環境から微弱な信号を抽出するように設計されていますが、数百MHz未満の低周波数ではフリッカーノイズの影響で測定が複雑になることがあります。ロックインアンプは基準周波数で動作するため、その周波数付近の1/fノイズは感度を直接的に低下させる可能性があります。

試験機器における1/fノイズの軽減方法

低周波における1/fノイズの影響を低減するため、Moku:ProとMoku:Deltaはそれぞれ入力チャンネルごとにXNUMX組のADCを搭載しています。XNUMX組のADCは低速・低ノイズ測定に最適化されています。もうXNUMX組は高速・高性能に最適化されており、低周波における帯域幅や精度を犠牲にすることなく測定できます。両方のADCからの信号は同時に取得され、 最適な測定信号を構築するためにブレンド.

精密電子機器、RFシステム、基礎物理学を研究する研究者は、 もく：デルタ このデュアルADCサンプリングにより、1/fノイズを効率的かつ確実に特性評価できます。Moku:Deltaには、スタンドアロンまたはシステムとして導入可能な15種類の計測器が組み込まれており、スペクトラムアナライザ、ロックインアンプ、オシロスコープ、データロガーを使用して測定を行い、測定結果を記録できます。

1/f ノイズを正確に測定するためのもう 0 つの重要な戦略は、スペクトル アナライザの分解能帯域幅を低くし、最小周波数を低くすることです。Moku:Delta および Moku:Pro スペクトル アナライザは 1 Hz まで信号を観測できるため、低周波ノイズの特性評価には重要です。また、これらのスペクトル アナライザでは、分解能帯域幅を 1 Hz まで低く設定できるため、広帯域ノイズの影響を受けずに 1/f ノイズを正確に捕捉できます。分解能帯域幅が広いほど、統合されるノイズ電力は大きくなりますが、分解能帯域幅が狭いほど、分解能ビンあたりのノイズ電力は小さくなるため、表示されるノイズ フロアは低くなります。分解能帯域幅を 1 Hz に下げることで、真の 1/f 特性を他のノイズ源から分離することがはるかに容易になります。XNUMX/f ノイズはテスト対象デバイスと測定システムに固有のものですが、フリッカー ノイズを正確に測定できるように測定セットアップを最適化することで、テスト対象デバイスの真のパフォーマンスをより深く理解できます。

Moku:Delta の詳細については、こちらをご覧ください。

FAQ

参考情報

[1] 「ピンクノイズ」Wikipedia、07年2020月XNUMX日。https://en.wikipedia.org/wiki/Pink_noise

[2] 「1/fノイズの理解と除去 | アナログ・デバイセズ」Analog.com、2024年。https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/understanding-and-eliminating-1-f-noise.html

[3]「MT-048チュートリアル オペアンプのノイズ関係：1/fノイズ、RMSノイズ、等価ノイズ帯域幅」 入手先：https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-048.pdf

[4]「高精度ADCノイズ解析の基礎」アクセス日：04年2025月192日[オンライン]。入手先：https://www.ti.com/lit/eb/slyy192a/slyy1757009681439a.pdf?ts=XNUMX

[5] RF Voss、「1/f (フリッカー) ノイズ: 簡単なレビュー」、第33回周波数制御シンポジウム、アトランティックシティ、ニュージャージー州、米国、1979年、pp.40-46、doi:10.1109/FREQ.1979.200297。