📉 5a.4 1/fノイズの低減技術
📉 5a.4 Flicker Noise Reduction Techniques
📘 概要｜Overview
低周波動作のアナログ回路では、1/fノイズ（フリッカーノイズ）が信号忠実度に深刻な影響を与えます。
MOSトランジスタでは、主にチャネル界面のトラップ状態に起因するこのノイズは、特に差動入力・センサ・ADCフロントエンドで設計上の制約となります。
In low-frequency analog circuits, 1/f noise (flicker noise) critically affects signal integrity.
In MOSFETs, this noise mainly originates from trap states at the channel interface and imposes design challenges in differential inputs, sensors, and ADC front-ends.
⚠️ 原因と影響｜Cause and Impact
🔍 発生メカニズム｜Mechanism
1/fノイズは、チャネル界面に存在するトラップによってキャリアが捕獲・再放出されることで生じる電流ゆらぎに起因します。
- トラップ密度が高い → ノイズ増大
- チャネル面積が小さい → ノイズ増大
- 周波数が低い → ノイズ増大（$\propto 1/f$）
📈 スペクトルの例｜Example Spectrum
S(f)
↑
│ ／￣￣￣￣￣
│ /
│ / ← 1/f ノイズ領域
│ /
│ / ／→ 白色熱雑音（Johnson-Nyquist）
│_/＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
→ f（周波数）
📏 ノイズ電圧密度の近似式｜Approximate Noise Density
MOSFETにおける1/fノイズ電圧密度は以下で近似されます：
\[S_{V}(f) = \frac{K}{C_{\mathrm{ox}}^2 W L f}\]- $K$：プロセス依存定数（トラップ密度に比例）
- $C_{\mathrm{ox}}$：ゲート酸化膜容量（$=\varepsilon_{\mathrm{ox}}/t_{\mathrm{ox}}$）
- $W$, $L$：トランジスタの幅と長さ
- $f$：周波数
🔧 ノイズ低減の設計技術｜Noise Reduction Techniques
| 対策｜Technique | 内容｜Description |
|---|---|
| PMOSを優先的に使用 | nMOSより1/fノイズが小さい（ホール vs 電子のトラップ感度） |
| W・Lを大きく設計 | チャネル面積を増やしてノイズ源の平均化 |
| 酸化膜品質の向上 | RTO, H₂アニールで界面トラップ密度を低減 |
| チョッピング回路（Chopper Amp） | 低周波ノイズを変調して高周波で除去 |
| Auto-Zero Amp | ノイズをサンプリングでキャンセル（ゼロ点補正） |
🧪 実務的な影響｜Practical Impact Examples
- センサ回路のオフセット揺らぎが測定精度を制限
Offset fluctuation limits sensor accuracy - ADC入力段でノイズフロアが上昇
Flicker noise increases ADC noise floor - 差動アンプの出力ドリフトが時間経過で増加
Output drift over time due to 1/f noise in diff amp
🧭 関連項目｜Related Topics
3_rsce_and_ldd.md：短チャネル高ドーピングとの関連性chapter4_mos_characteristics/：酸化膜品質と界面準位の解説ams_overview.md：ノイズとPSRR全体像
🧠 用語解説｜Glossary
| 用語｜Term | 意味｜Meaning |
|---|---|
| 1/f Noise | フリッカーノイズ。低周波に強く現れる非理想雑音 |
| $S_{V}(f)$ | ノイズ電圧密度（[V²/Hz]） |
| Chopper Amp | 入力信号を変調・復調して低周波ノイズを除去する回路 |
| $C_{\mathrm{ox}}$ | ゲート酸化膜容量（F/cm²） |
✅ まとめ｜Summary
1/fノイズは、低周波アナログ回路の性能を制限する根本的な要因です。
AMS設計においては、デバイス選択・構造寸法・酸化膜制御・回路手法の多層的対応が必要となります。
Flicker noise is a fundamental limitation in low-frequency analog circuits.
Effective AMS design requires a multilayered strategy of device choice, geometry tuning, oxide quality, and circuit-level techniques.