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ランダムノイズ

ランダムノイズ

  • Random Noise
  •  随机噪声
  •  랜덤 잡음

 

時間的に不規則(random)な現象はすべてノイズと言う。規則的な信号であっても、不要な信号であればノイズと言う場合もあるが、ランダムノイズとは言わない。

ノイズは絶対零度の場合以外、すべての電気回路に存在し、そのほとんどがランダムノイズである。その代表的なものが抵抗の熱雑音である。

すべての周波数帯域で一様な電力密度をもっているノイズをホワイトノイズ(白色雑音)と呼ぶ。これは白色光になぞらえたものである。一般的には、必要な帯域よりも十分に広ければホワイトノイズと呼んでいる。また、周波数成分がピンク光と同じなのでピンクノイズと呼ばれているノイズもあり、電力が周波数に反比例しているので1/fノイズともいう。自然界に多く存在している事象でもあり、扇風機などでは“1/f揺らぎ”としても知られている。
振幅確率密度がガウス分布しているノイズはガウシャンノイズとも呼ばれるが、ガウシャンノイズ=ホワイトノイズではない。振幅確率密度と電力密度とは無関係である。

 

ガウシャンノイズ波形例

 

ピンクノイズの周波数スペクトラム

写真1 ガウシャンノイズ波形例

 

図1 ピンクノイズの周波数スペクトラム

 

広帯域のホワイトノイズを得るのに、昔はガス放電管やツェナーダイオードなどのノイズを増幅して利用していました。しかし、これらの方法で発生させたノイズは、安定度や経時変化を保証するのは難しいことです。

低周波においては、正規化したランダムデータをD/Aコンバータで出力すると安定なホワイトノイズが得られます。出力の電圧分布は一様(確率密度一定)で、その波形は明らかにガウシャンノイズと異なります(写真2参照)。この雑音は一様分布雑音(ユニフォームノイズ)と呼ばれています。

広帯域で安定なホワイトノイズを得る方法のひとつに、抵抗の熱雑音を低雑音アンプで直接増幅する方法があります(アンプのノイズは抵抗の熱雑音の1/3以下が必要)。

図2は、当社の超低雑音差動FET増幅器SA-420F5(入力換算ノイズ:0.5nV/√Hz)を用いて測定した抵抗の熱雑音(V/√Hz)です。抵抗が1kΩ以上であれば、安定な白色雑音が得られます。

 

注1:抵抗値を大きくすれば、抵抗値の平方根に比例した熱雑音が得られますが、あまり大きくするとアンプの入力容量によって高域雑音が低下します。(図3参照)

注2:熱雑音は絶対温度に比例するため、常温(23℃)付近では3000ppm/℃(0.3%/℃)の温度係数をもち、高精度計測では注意が必要です。

抵抗の熱雑音測定(R=0~10kΩ)

抵抗の熱雑音測定例(R=10k~1MΩ)

図2 抵抗の熱雑音測定例(R=0~10kΩ)

図3 抵抗の熱雑音測定例(R=10k~1MΩ)

   

一様分布雑音(ユニフォームノイズ)波形例

 

写真2 一様分布雑音(ユニフォームノイズ)波形例

 

 

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