Перейти к содержанию

Фликкер-шум (шум 1/f)

На графике шума любого ОУ справа ровная полка, а слева кривая уходит вверх. Этот подъём к низким частотам — фликкер-шум. В звуке он почти незаметен, а в точных измерениях постоянного напряжения часто оказывается главным.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Фликкер-шум, или шум 1/f (flicker noise) — шум, спектральная плотность мощности которого растёт обратно пропорционально частоте. На графике плотности шума в нВ/√Гц он выглядит как подъём кривой к низким частотам. Его называют и розовым шумом; с ростом частоты он спадает на 3 дБ на октаву (SLOD006B, разд. 10.3.3, 10.4.2). Природа его до конца не объяснена; он есть во всех активных и многих пассивных приборах и связан с постоянным током через прибор.

Свойства

  • Растёт к низким частотам — отсюда название 1/f.
  • Одинаковая мощность в каждой октаве или декаде. Наш вывод: поэтому, расширяя полосу вниз — от 1 Гц к 0,1 Гц и дальше, — каждый новый десятикратный интервал добавляет столько же шума, сколько предыдущий.
  • Связан с постоянным током. У резисторов его называют «избыточным шумом» сверх теплового; TI упоминает его у углеродистых композиционных резисторов, а меньше всего его у проволочных (SLOD006B).

Частота излома

Шум реального ОУ состоит из двух частей: белого шума, ровного по частоте, и шума 1/f. Частота, где они равны, — частота излома (fnc в SLOD006B, fCE в SLOA011B). У TLV2772 по графику TI она немного выше 1 кГц, и на ней суммарный шум в √2 раз больше белого (SLOD006B, разд. 10.5.2). Поэтому в даташитах точечный шум часто дают двумя числами: на 10 Гц — в области 1/f — и на 1 кГц — в области белого шума (SLOA011B). Об усилителях и их шумах — в статье «Операционный усилитель».

Шум 0,1–10 Гц

Для точных измерений постоянного напряжения низкочастотный шум задают не плотностью, а размахом в полосе 0,1–10 Гц — от пика до пика. Так его указывают у источников опорного напряжения: по TI это обычно главный их шум, потому что широкополосную часть можно отфильтровать конденсатором на выходе, а низкочастотную — нет (SSZTAX8). В бюджете ошибки опорного TI ставит шум 1/f отдельной строкой (SNAA320B); так же его учитывает калькулятор погрешности опорного напряжения. Практически убрать шум 1/f позволяет усилитель с нулевым дрейфом, а снизить — ОУ с низкой частотой излома и меньший постоянный ток через элементы (SLOD006B, разд. 10.3.3).

Частые вопросы

Почему шум 1/f нельзя отфильтровать?

Он лежит на тех же частотах, что и полезный сигнал при измерении постоянного напряжения: от долей герца до нескольких герц. Фильтр, который подавил бы шум 0,1–10 Гц, подавил бы и медленные изменения самой величины. Поэтому TI отмечает, что низкочастотный шум опорного источника, в отличие от широкополосного, фильтром не убрать (SNAA320B, SSZTAX8).

Что такое частота излома шума?

Частота, на которой плотность шума 1/f сравнивается с плотностью белого шума. Выше неё шум ОУ почти постоянен, ниже — растёт. На самой частоте излома суммарный шум в √2 раз больше белого, потому что две равные независимые составляющие складываются квадратично (SLOD006B, разд. 10.5.2).

Как убрать фликкер-шум из усилителя?

Выбрать усилитель, где его нет по построению: у zero-drift-усилителей с периодической самокоррекцией смещения шума 1/f нет (SBOA182C). Для резисторов TI отмечает, что фликкер-шум зависит от постоянного тока через них и меньше всего у проволочных.

Источники

  1. Texas Instruments. Op Amps For Everyone, SLOD006B, ch. 10 «Op Amp Noise Theory and Applications» — разд. 10.3.3 — фликкер-шум, или шум 1/f: растёт с понижением частоты, связан с постоянным током через прибор, одинаковая мощность в каждой октаве (декаде); есть в активных и многих пассивных приборах, у резисторов — «избыточный шум», меньше всего у проволочных; разд. 10.4.2 — шум 1/f называют розовым, спад 3 дБ на октаву; разд. 10.5.1–10.5.2 — шум ОУ складывают из розовой и белой частей, частота излома fnc — где они равны, у TLV2772 немного выше 1 кГц, на ней суммарный шум в √2 раз больше белого
  2. Texas Instruments. Understanding Operational Amplifier Specifications, SLOA011B — разд. 5.14 и рис. 5-9 — спектральная плотность шума ОУ состоит из 1/f и белой частей, переход — частота излома fCE; точечный шум обычно указывают на 10 Гц (область 1/f) и 1 кГц (белый шум); шум от пика до пика — в полосе 0,1–1 Гц или 0,1–10 Гц, коэффициент перехода от среднеквадратичного около 6
  3. Texas Instruments. Zero-Drift Amplifiers: Features and Benefits, SBOA182C — шум 1/f (фликкер, розовый) преобладает на низких частотах и вреден в точных измерениях постоянного тока; рис. 6 — у zero-drift-усилителя шума 1/f нет
  4. Texas Instruments. Voltage Reference Selection and Design Tips For Data Converters, SNAA320B — разд. 2 — шум 1/f и широкополосный шум влияют на каждый отсчёт АЦП; разд. 4, ур. 1–2 — шум 1/f входит в бюджет ошибки опорного; разд. 6.1 — низкочастотный шум не отфильтровать
  5. Texas Instruments. Find the «Goldilocks» Voltage Reference for Your Application, SSZTAX8 — раздел Low-frequency Noise — шум 0,1–10 Гц задают размахом, фильтром его обычно не убрать, широкополосный шум 10 Гц – 10 кГц фильтруется выходным конденсатором; низкочастотный шум — обычно главный шум опорного источника

Нашли ошибку?

Смотрите также