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闪烁噪声

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粉红杂讯的近似功率谱。功率密度以10 dB每十倍频程衰减。

闪烁杂讯,亦称作粉红杂讯、 1/f 杂讯。闪烁杂讯属于电子杂讯之一,具有功率谱密度(能量或功率每赫兹)与频率成反比的特征,此种分布在每个倍频(八度音)程中皆有等量的杂讯功率,而粉红杂讯的名称源于这种功率谱下的可见光视觉颜色为粉色。它存在于近乎所有的电子装置,分别由多种不同机制产生,如通道杂质、 电晶体中的重组等等。

性质

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功率谱密度当中闪烁杂讯与温度杂讯(白色杂讯)的交界

1/f  杂讯通常是相对于直流电压或电流,因电阻变动而产生的电压或电流变动。就算在没有直流电流流经,电阻器中亦存在因温度变化产生的闪烁杂讯。锰镍铜合金则是例外,因为其电阻率的温度系数非常小。[1][2]

在电子装置中,闪烁杂讯主要分布在低频,高频杂讯大多由白色杂讯贡献。然而在震荡器当中,低频杂讯会被混合至靠近载波的高频段,产生相位杂讯。

闪烁杂讯可由频界频率 fc 描述其性质,代表由闪烁杂讯支配的低频段与由白色杂讯支配的高频段之交界处。以常见的半导体元件来说,MOSFET的临界频率相对较高(可高达数GHz),而JFETBJT则较低(在2 kHz以下)。

此类杂讯属于高斯分布,且在时域上具可反转性,[3]产生原因大致上可归因于FET与电阻器中的线性机制,以及BJT中的非线性机制。[3]

存在于MOSFET中的闪烁杂讯可表示成 , 其中K与制程相关,  是氧化层的电容率, W 与 L 则分别是通道宽度与长度。[4] 此模型根据经验法则而得,普遍认为是过度简化的结果。[5]

闪烁杂讯也容易出现在碳膜电阻与薄膜电阻[6] ,此时它们被视为超越杂讯,也就是它们使得整体杂讯量总和超越了所有种类电阻器都具有的温度杂讯。相反地,绕线电阻则存在最少的闪烁杂讯。既然闪烁杂讯是基于和直流电流的比较,当电流非常低时,温度杂讯将成为电阻器杂讯的主要来源,也就是使用绕线电阻并无法在杂讯上获得太多改善。

量测

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量测闪烁杂讯的方式和其他杂讯相同。分析仪器会取样一有限时间长度的杂讯,并针对其进行快速傅立叶变换,接著对转换结果取绝对值后,便能由多次的计算得到平均功率。 这样的量测结果会和功率谱密度成比例,且通常会将强度标准化。 此过程提供了正确的光谱数据仅供深受有限时间采样(低频端)的持续时间的倒数确定的频率窗口和噪音(高频端)的数字采样率范围内。因此,功率密度频谱中的最高和最低十倍频通常被舍弃。常规的频谱分析仪是扫过所述已使用窄带滤除的信号,具有良好的信噪比(SNR)。不幸的是,这些文书没有在频率低到足以全面测量闪烁杂讯。采样仪器是宽频的,因此具有较高杂讯。他们透过多次取样将它们平均以降低噪音。传统的频谱分析仪还是有较好的信噪比,因为其窄带的特性。

量测上的去除或减低

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因为在低频段强度极高的缘故,闪烁杂讯在低频的计算可能造成困扰。我们可将极低频的杂讯视为电路特性的漂移。

一个功能强大的技术可将我们感兴趣的信号移动到一个较高的频率,并使用相位敏感的检测器来测量它。例如:感兴趣的信号可以某个频率进行斩波,于是信号中存在交流而非直流。因此,你可以过滤掉直流,取得交流耦合。此外,直流滤波也能削弱闪烁杂讯。然后,使用一个同步检波器,该样品的交流信号的峰,这是相当于原来的直流值。换句话说,第一低频率信号被移动到高频通过将其与高频载波相乘,并将其提供给闪烁杂讯的影响的设备。该装置的输出被再次乘以相同载波,此时前面的信号又回到基频,闪烁杂讯将被转移到更高频段,使我们更容易将其滤除。

参考资料

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  1. ^ Voss, Richard F.; Clarke, John (1976-01-15).
  2. ^ Beck, H. G. E.; Spruit, W. P. (1978-06-01). "1/f noise in the variance of Johnson noise"页面存档备份,存于互联网档案馆).
  3. ^ 3.0 3.1 Voss, Richard F. "Linearity of 1 f Noise Mechanisms".
  4. ^ Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2000, Chapter 7: Noise.
  5. ^ Lundberg, Kent H. "Noise Sources in Bulk CMOS"页面存档备份,存于互联网档案馆) (PDF). 
  6. ^ Jenkins, Rick.