1/f 노이즈(플리커 노이즈) 이해

1/f 노이즈 소개

1/f 노이즈는 플리커 노이즈 또는 핑크 노이즈라고도 합니다._[1]는 주파수가 감소함에 따라 강도가 증가하는 저주파 잡음의 한 유형입니다. 반도체, 저항기, 센서, 심지어 자연계에서도 나타나며 ADC, RF 회로, 발진기와 같은 정밀 전자 장치의 성능을 제한할 수 있습니다. 모든 주파수에서 동일한 전력을 갖는 백색 잡음과 달리, 1/f 잡음은 저주파에서 두드러지며 측정하기가 더 어렵습니다. 기존의 스펙트럼 분석기와 록인 증폭기는 1/f 잡음 측정에 일반적으로 사용되지만, 의미 있는 데이터를 수집하려면 긴 적분 시간이 필요합니다. 측정 장비는 플리커 잡음을 정확하게 포착할 수 있을 만큼 낮은 주파수에 도달하면서도 미세한 변동을 포착할 수 있도록 매우 높은 동적 범위를 가져야 합니다. 많은 스펙트럼 분석기는 kHz 범위의 최소 주파수에만 도달하기 때문에 반도체 테스트 엔지니어는 테스트 대상 장치의 전체 주파수 범위를 정확하게 특성화하기 위해 맞춤형 솔루션을 개발해야 합니다. 스펙트럼 분석기 높은 감도, 실제 0Hz 최소 주파수, 낮은 분해능 대역폭을 통해 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리는 맞춤형 측정 솔루션이 필요 없게 됩니다.

이 글에서는 1/f 노이즈가 무엇이고, 왜 발생하는지, 그리고 물리학, 전자공학, 신호 처리 분야의 측정에 어떤 영향을 미치는지 설명합니다. 또한, 1/f 노이즈를 측정하는 가장 좋은 방법과 연구 및 엔지니어링 응용 분야에서 플리커 노이즈를 보다 쉽게 ​​분석, 관리 및 완화하는 방법을 설명합니다. 더 자세한 내용은 다음을 참조하세요. EE World와 함께하는 웨비나에 등록하세요.

1/f 잡음, 즉 플리커 잡음은 무엇입니까?

1/f 노이즈는 다음과 같은 유형의 랜덤 노이즈입니다. 전력 스펙트럼 밀도 주파수에 반비례합니다. 즉, 주파수가 낮을수록 소음 기여도가 커집니다._[2]

• 플리커 노이즈
• 1-f 노이즈
• 핑크 노이즈

이러한 유형의 소음은 모든 주파수에서 동일한 전력을 갖는 백색 소음이나 주로 온도에 의해 결정되는 열 소음과는 다릅니다.

1/f 노이즈의 원인은 무엇입니까?

반도체 1/f 잡음

MOSFET이나 BJT와 같은 반도체 소자에서 플리커 잡음은 산화물-반도체 계면 근처의 결함에서 발생하는 전하 트래핑 및 디트래핑, 또는 캐리어 이동도의 변동으로 인해 발생합니다. 이는 특히 저주파에서 문제가 되며, 열 잡음보다 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

연산 증폭기(op-amp) 및 데이터 변환기와 같은 일반적인 집적 회로(IC)의 경우, 이는 성능을 제한하고 원치 않는 신호 불순물을 유입시킬 수 있습니다.

연산 증폭기에 대한 1/f 노이즈의 영향:_[3]

• 1/f 노이즈는 저주파에서 가장 두드러지므로 연산 증폭기의 입력 단계는 종종 전체 장치의 노이즈 플로어를 설정합니다.
• 플리커 노이즈는 저주파 드리프트와 오프셋 불안정성을 초래할 수 있습니다.

1/f 노이즈가 데이터 변환기(ADC/DAC)에 미치는 영향:_[4]

• 아날로그-디지털 변환기(ADC)에서 플리커 노이즈는 낮은 입력 주파수에서 유효 비트 수(ENOB)를 제한하여 작은 신호가 노이즈 플로어에 묻히는 결과를 초래합니다.
• 디지털-아날로그 변환기(DAC)에서 플리커 노이즈는 스펙트럼 불순물을 발생시키고 선형성을 감소시킬 수 있습니다.
• ADC와 DAC 모두에서 1/f 노이즈는 타이밍과 관련하여 시스템 정확도를 저하시킬 수 있습니다.

이러한 효과 때문에 많은 데이터시트에서 정밀 IC에 대한 1/f 코너 주파수를 지정하고, 이를 효과적으로 이해하고 측정하는 것이 중요한 사양으로 삼습니다.

1/f 노이즈는 측정에 어떤 영향을 미칩니까?

플리커 잡음은 작은 신호를 가리고 계측기의 분해능을 제한할 수 있습니다. 저주파수에서 증가하기 때문에 특히 장기 안정성 측정 및 신호가 시간에 따라 느리게 변화하는 실험에 영향을 미칩니다.

연구자와 엔지니어의 경우, 이는 플리커 노이즈의 영향을 크게 받지 않으면서 주요 DUT 신호를 감지할 수 있는 실험을 설계하고 장비를 선택하는 것을 의미합니다.

물리학의 1/f 노이즈

물리 실험에서 1/f 노이즈는 검출기의 감도를 제한합니다. 약한 신호 측정광학 장치의 광다이오드나 양자 연구의 초전도 소자와 같은 경우입니다. 플리커 잡음은 시간 영역 안정성 연구에서도 나타날 수 있으며, 이는 실제 물리적 효과를 분리하기 어렵게 만듭니다. 이는 수정 발진기, 원자 시계, 초전도 공동 공진기와 같은 정밀 시간 표준에 영향을 미칩니다. 다음과 같은 측정을 사용하면 앨런 분산 불안정성의 근원을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다._[5] 0 데드타임, 갭리스 이벤트 감지기를 사용하여 시간 및 진동수 분석기 or 위상 계측기 실시간으로 안정성을 측정하면 테스트 처리량을 빠르게 할 수 있는 반면, 데이터를 기록하고 모든 분석을 사후 처리로 진행하는 방식은 다릅니다.

전자공학의 1/f 잡음

전자공학에서 1/f 잡음은 증폭기, 센서, ADC의 저주파 잡음의 주요 원인입니다. 정밀 아날로그 회로, RF 프런트엔드, MEMS 장치는 특히 취약합니다. 엔지니어는 낮은 플리커 잡음에 적합한 부품을 선택해야 하는 경우가 많습니다.

신호 처리에서의 1/f 노이즈

신호를 디지털화하고 분석할 때 플리커 잡음은 결과를 왜곡하고, ​​약한 신호를 가리고, 필터링 요건을 복잡하게 만들 수 있습니다. 정확한 결과를 얻으려면 측정 시스템의 잡음 플로어를 이해하고, 그중 1/f 기여도에 따른 노이즈 플로어가 얼마나 되는지 파악하는 것이 중요합니다.

스펙트럼 분석기의 1/f 노이즈

스펙트럼 분석기는 일반적으로 주파수 전반에 걸쳐 잡음을 관찰하는 데 사용됩니다. 그러나 매우 낮은 주파수에서는 스펙트럼 분석기 자체의 잡음이 지배적이어서 계측기 잡음 플로어와 피시험 장치의 실제 1/f 잡음을 구분하기 어려울 수 있습니다. 저주파에서 저잡음 스펙트럼 분석기를 찾는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다.

록인 증폭기의 1/f 잡음

록인 증폭기는 잡음이 많은 환경에서 약한 신호를 추출하도록 설계되었지만, 수백 MHz 미만의 저주파에서는 플리커 잡음이 이러한 측정을 복잡하게 만들 수 있습니다. 록인 증폭기는 기준 주파수에서 작동하기 때문에, 해당 주파수 근처의 1/f 잡음은 감도를 직접적으로 저하시킬 수 있습니다.

테스트 장비에서 1/f 노이즈를 완화하는 방법

저주파에서 1/f 잡음의 영향을 줄이기 위해 Moku:Pro와 Moku:Delta는 각 입력 채널에 두 세트의 ADC를 탑재하고 있습니다. 한 ADC는 저속, 저잡음 측정에 최적화되어 있습니다. 다른 한 세트는 고속 및 고성능 측정에 적합하도록 설계되어 저주파에서 대역폭이나 정확도를 희생할 필요가 없습니다. 두 ADC의 신호는 동시에 수집됩니다. 최적의 측정 신호를 구성하기 위해 혼합됨.

정밀 전자공학, RF 시스템 또는 기본 물리학을 연구하는 연구원은 다음을 사용할 수 있습니다. 모쿠:델타 이 이중 ADC 샘플링 덕분에 1/f 잡음을 효율적이고 안정적으로 특성화할 수 있습니다. Moku:Delta에는 단독으로 또는 시스템으로 구축할 수 있는 15개의 계측기가 내장되어 있어 스펙트럼 분석기, 록인 앰프, 오실로스코프 또는 데이터 로거를 사용하여 측정 결과를 기록할 수 있습니다.

1/f 잡음을 정확하게 측정하는 또 다른 핵심 전략은 스펙트럼 분석기의 저분해능 대역폭과 낮은 최소 주파수를 사용하는 것입니다. Moku:Delta 및 Moku:Pro 스펙트럼 분석기는 저주파 잡음 특성 분석에 중요한 0Hz까지의 신호를 관측할 수 있습니다. 또한 이 스펙트럼 분석기는 사용자가 분해능 대역폭을 1Hz까지 낮게 설정할 수 있도록 하여 광대역 잡음으로 인한 결과 왜곡 없이 1/f 잡음을 정확하게 포착할 수 있도록 합니다. 분해능 대역폭이 넓을수록 더 많은 잡음 전력을 통합하는 반면, 분해능 대역폭이 낮을수록 분해능 빈당 수집되는 잡음 전력이 적어 표시되는 잡음 플로어가 낮아집니다. 분해능 대역폭을 1Hz로 줄이면 다른 잡음 소스에서 실제 1/f 특성을 훨씬 쉽게 구분할 수 있습니다. 1/f 잡음은 테스트 대상 장치 및 측정 시스템에 내재되어 있지만, 플리커 잡음을 정확하게 측정하도록 측정 설정을 최적화하면 테스트 대상 장치의 실제 성능을 더 깊이 이해할 수 있습니다.

Moku:Delta에 대한 자세한 내용은 여기에서 확인하세요.

자주 묻는 질문

참고자료

[1] “핑크 노이즈,” 위키백과, 07년 2020월 XNUMX일. https://en.wikipedia.org/wiki/Pink_noise

‌[2] “1/f 노이즈 이해 및 제거 | Analog Devices,” Analog.com, 2024. https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/understanding-and-eliminating-1-f-noise.html

[3] “MT-048 튜토리얼 Op 앰프 잡음 관계: 1/f 잡음, RMS 잡음 및 등가 잡음 대역폭.” 사용 가능: https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-048.pdf

[4] “정밀 ADC 잡음 분석의 기본.” 접속일: 04년 2025월 192일. [온라인]. 출처: https://www.ti.com/lit/eb/slyy192a/slyy1757009681439a.pdf?ts=XNUMX

[5] RF Voss, “1/f(깜박임) 잡음: 간략한 검토,” 제33회 주파수 제어 연례 심포지엄, 미국 뉴저지주 애틀랜틱 시티, 1979, 40-46쪽, doi: 10.1109/FREQ.1979.200297.