3.5. Шум вида 1/f (фликкер-шум)

При исследовании шумов в различных материалах, а также в полупроводниковых приборах, транзисторах, фотосопротивлениях, болометрах и других элементах радиосхем наблюдается еще одна компонента шума, названная шумом вида 1/f или фликкер-шумом. Величина этого шума на низких частотах может превышать тот уровень, который в соответствии с теоретическими представлениями должен был бы иметь прибор при наличии в нем чисто теплового и дробового шумов в десятки, а иногда в сотни – тысячи раз (поэтому этот вид шума называют "избыточным").

Причем энергетический спектр этого вида шума существенно отличается от спектра белого шума и представляет собой не прямую, параллельную оси частот, а более или менее крутую гиперболу, вертикальная ветвь которой загибается вверх по мере уменьшения частоты, т.е. интенсивность этого вида шума возрастает с уменьшением частоты.

На рис. 3.10 показан энергетический спектр шума вида 1/f. На частоте примерно f > f₂спектр шума становится равномерным, поскольку определяется тепловым и дробовым шумами.С понижением частоты СП приf < f₁ шума возрастает по гиперболическому закону. Шум вида 1/fимеетпостоянную мощность на декаду частот, что будет показано далее.

Рис. 3.10. Энергетический спектр . 1/fшума (фликкер-шума).

Этой разновидности электрического шума было дано название фликкер-шумпо следующим обстоятельствам. Впервые этот вид шума был обнаружен Джонсоном в 1925 году в лампах с оксидным катодом, и с тех пор получил название фликкер-шума, что было связанно с объяснением механизма его возникновения, а именно, вследствие медленных хаотичных изменений эмиссионной способности катода электронных ламп –"фликкер-эффект" (“flicker-effect” по-английски означает “эффект мерцания”). Фликкерный шум или 1/f шум – это вид флуктуаций тока, напряжения или любых других физических величин, спектральная плотность которых изменяется с частотойfпо закону 1/f^, где показатель формы спектрачасто оказывается близок к единице (1), откуда и происходит название"шум вида 1/f"или “1/fшум”. Т.е. для фликкер-шума характерна обратно пропорциональная зависимость спектральной плотности мощности от частоты в отличие от белого шума, у которого спектральная плотность постоянна. Этот вид флуктуаций в литературе часто называют избыточным шумом, иногдарозовым шумом(Pinknoise). Считают, что наиболее яркий пример розового шума – это шум пролетающего вертолета.

В дальнейшем флуктуации с такими же свойствами были обнаружены в различных явлениях Природы, во множестве физико-химических, биологических и даже в социальных системах. Флуктуируют по закону 1/fмногие параметры, характеризующие ход процессов в физико-химических системах и живых организмах. Свойствами фликкер-шума обладают изменения числа особей в популяциях и социальная активность в человеческом сообществе.

Обычно СП фликкер-шума как функция частоты f и тока I аппроксимируется выражением:

(3.33)

Здесь постоянный коэффициент К₁, показатель степениaи показатель формы спектраопределяются свойствами материала исследуемого образца или элемента ИС. Показатель степениa при токах, не приводящих к локальным перегревам пленки, обычно близок к двум (a2), а для показателя, как правило, наблюдаются значения : 0,81,3. Как видно из (3.33), СП фликкер-шума зависит от частоты по закону ~f^-, откуда и происходит название "шум вида 1/f^" или "1/f шум" (при1).

Флуктуации, СП которых пропорциональна 1/f ^, проявляются практически у всех материалов, радиоэлементов и ИС, используемых в электронике. 1/fшум наблюдается в металлических пленках и контактах, а также в различных пассивных и активных элементах радиосхем, кроме проволочных резисторов. Величина этого шума на низких частотах может превышать уровень теплового равновесного шума в десятки, а иногда и в сотни – тысячи раз.

Необходимо отметить, что в проволочном резисторе 1/fшум не наблюдается. В то же время в углеродных (угольных) резисторах наблюдается самый высокий уровень 1/fшума. Заметим, что угольные резисторы состоят из большого числа проводящих зерен, каждое из которых имеет плохой контакт с соседними зернами. Поэтому полное сопротивление резистора определяется, прежде всего, именно контактными сопротивлениями между различными зернами. Эти контактные сопротивления флуктуируют во времени.

Пропуская ток Iчерез резистор, можно обнаружить флуктуации сопротивленияδR(t), поскольку они вызывают флуктуации в падении напряжения на резистореδV(t) =IδR(t), так что для СП шума можно записать:

S_v(f) = I²S_R(f). (3.34)

Поскольку S_r (f) имеет шумовой спектр типа 1/fможно записать

S_v(f) = (3.35)

где А – некоторый постоянный множитель.

Дефекты кристаллической решетки в полупроводниках могут увеличивать 1/fшум. Решетка может быть повреждена механически, радиационным облучением и др. При этом дефекты могут действовать как доноры и акцепторы, изменяя число носителей, или как рассеивающие центры, изменяя подвижность.

У многих приборов СП 1/fшума при обычных рабочих токах на частотах выше нескольких килогерц оказывается меньше уровня теплового и дробового шумов. В то же время в угольных резисторах спектральная зависимость вида 1/f^наблюдалась в диапазоне частот, перекрывающем двенадцать и более декад (10^-7- 10⁶Гц). Для объяснения механизма возникновения 1/fшума в столь широком диапазоне частот необходимо найти механизм, дающий широкое распределение времён релаксации.

Физическая природа возникновения 1/f шума в твердых телах в настоящее время не выяснена до конца. Для объяснения 1/f шума разработан ряд моделей, имеющих свои области применения. Рассматривают равновесные модели, дающие стационарный шум или деградационные модели, описывающие нестационарные процессы в системе (процессы установления термодинамического равновесия, процессы старения). При этом 1/f шум в общем случае связывают с флуктуациями макропараметров системы, для металлов и полупроводников резисторов – с флуктуациями проводимости (сопротивления), существующих и в отсутствие тока.