PCB技術 - 運用の内部ノイズ源と最適化ソリューション

ダニエル笛福とベンジャミンフランクリン氏は、生命の中で2つのことだけが確定していると述べました。それは死亡と税金です。残念なことに、電子製品と付き合っている人にとってはもう一つあります。それはノイズとのことです。電気ノイズは避けられないが、設計者は各ノイズ源を理解して、その影響を最小限にコントロールして、製品の性能を最大に発揮していきたいです。システムの観点から見ると、ノイズはいろんなタイプがあります。例えば、内部で発生したノイズ源や、搬送回路内で使用されている受動素子から発生したノイズなどがあります。電波や交流電源のようなさまざまな外部ノイズ源もあります。本文はその中のいくつかの輸送の内部作業に関連するノイズ源を探索します。

シンチレーションノイズ

シンチレーションノイズ（1/fノイズとも呼ばれます）は、伝導路の不規則性による低周波現象であり、トランジスタのバイアス電流によるノイズです。より高い周波数では、他のノイズ源によって生成されるホワイトノイズが支配的になり始めているため、シンチレーションノイズは無視できます。これもその1/fノイズ命名の由来です。このような低周波ノイズは、入力信号が直流に近づくと問題になり、通常、歪み計、圧力センサ、熱電対の出力、または任意の緩やかに変化するセンサ信号に現れます。

システム設計者は、増幅器の内部シンチレーションノイズを制御することはできないが、アプリケーションのために適切な増幅器を選択することによって、このノイズ源を低減することができます。1／fノイズが大きな問題である場合、解決策は自動ゼロ調整増幅器またはチョッパ増幅器を選択することです。2つのタイプのアーキテクチャでは、1／fノイズは、オフセット補正中に除去されます。このノイズ源は入力端に現れ、変化が比較的遅いので、増幅器の不調の一部とみなし、対応する補償を得ることができます。

ショツトノイズ

ショットノイズ（ショットキーノイズとも呼ばれます）は内部ノイズ源です。このノイズ源はキャリア伝導欠陥によるものです。電子は印加された電圧に基づいて一方向に移動して電流を形成します。電子が障害（金属欠陥など）に遭遇すると、電子が障害を通り抜けるまでポテンシャルエネルギーが蓄積します。

ショットノイズは電流と関係があるので、電流がなければショットノイズはありません。ショット雑音はガウス確率密度分布を示し、周波数や温度の影響を受けません。直流電流に反比例するため、電流が小さいほどショットノイズ電圧が大きいことを意味します。所与の設計におけるショットノイズが要因の1つであるかどうかを決定するには、ノイズが影響を受けるかどうかを見るために直流電流を減少または増加させることができます。

熱雑音

熱雑音はジョンソン雑音とも呼ばれ、それを発見した科学者の名前で命名されました。熱雑音はすべての能動回路素子と受動回路素子に存在します。熱は電子の運動を激化させ、運動にランダム性が現れ、ノイズが発生します。このため、熱雑音とショット雑音は類似しており、ガウス確率密度分布を呈し、周波数の影響を受けません。

熱雑音は受動回路素子に存在します。抵抗の場合、これは特に顕著である可能性があります。抵抗の熱雑音は抵抗の大きさと温度に依存するからです。小型抵抗の熱雑音は小さく、温度が低いことも熱雑音の低減に役立ちます。

放出ノイズの仕様

実際の増幅器のノイズ仕様に影響を与える搬送内に存在するいくつかのノイズ源をレビューしました。システム設計者は、ドロップを選択する際に多くの選択肢を持っています。しかし、低ノイズ演算を選択する際には、増幅器の電圧や電流ノイズ、アプリケーションでの増幅器の使用方法など、多くの要素を考慮する必要があります。

ほとんどの場合、メーカーはノイズに言及すると、搬送される電圧ノイズ密度の仕様を持ち上げます。これは重要な規範ですが、唯一のものではありません。一般的には、電流ノイズに注目することができます。入力電圧ノイズ密度は、増幅器のホワイトノイズが支配的（1／fノイズの影響を除く）で与えられます。電流ノイズ密度も増幅器のホワイトノイズが支配的な場合に与えられるが、この密度は入力インピーダンスの高い応用に非常に重要です。

運用の内部ノイズ源と最適化ソリューション

パフォーマンス、速度、動作電源の範囲が似ていても、ノイズ仕様は非常に異なります。通常、電圧ノイズ密度が低いことで、低ノイズへの放出が宣伝されます。しかし、電圧ノイズ密度の放出は、そのノイズ性能が向上することが多いのだろうか。

実際に回路設計を行う際には、ICの内部ノイズ、全素子の熱ノイズ、外部ノイズ源を含む複数のノイズ源からのノイズを考慮しなければなりません。ただし、ここでは増幅器に関連するノイズと入力抵抗（ここではRINと表記）の熱ノイズについてのみ言及します。実験目的のために、この抵抗の周囲温度が25 oCの条件下でのノイズを指定しました。

ソースインピーダンスがゼロの場合、増幅器の電流ノイズによるノイズ成分は存在しません（電圧誤差を生成するためには抵抗に電流が流れる必要があるため）。同様に、インピーダンスがゼロの場合、入力抵抗の熱雑音もゼロになります。この場合、ノイズのタイプは主に増幅器の電圧ノイズです。

しかし、ソースインピーダンスが10 kに増加すると、このインピーダンスに関連する熱雑音成分を考慮しなければなりません。抵抗の熱雑音電圧の定義を思い出してください。普通はVTH＝熱雑音電圧（Vrms）、ボルツマン定数（1.38 x 10-23）、温度、インピーダンス、帯域幅（Hz）と関係があります。

これは、増幅器のノイズ性能を解析するために、アンプの電圧ノイズと電流ノイズを同時に考慮しなければならないことを示しています。酸性度計や恒温発振器などの高インピーダンス用途では、ノイズ源が主要なノイズ要因に急速になるため、低電流ノイズを持つ増幅器を使用することが重要です。

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