ノイズの種類

サーマルノイズは、荷電粒子が導体中に存在するかぎり発生するノイズです。　 外部から電圧がかかっていなくても出てきます。　
導体中の電荷は熱によって常に揺らいでおり、測定端子を当てればその両端には揺らぎに相当する電圧が観察できます。　 瞬時瞬時のノイズ電圧を時間をかけて観察すると、その確率はガウス分布をしており、平均実効電圧（e）は導体の抵抗と絶対温度と測定周波数幅の平方根に比例します。　 式で書くと次の通りです：

     e = sqrt ( 4 * k * T * R * Δf )       (Vrms)

ここで、k はボルツマン常数 (1.38E-23 j/K)、T は絶対温度(K)、 Δf は測定周波数帯域(Hz)、R は導体抵抗(Ω) です。　 300K 時に 1MΩ が 1MHz のバンド幅で出すノイズは 130uV です。

式でしめすとおり R で発生しますから、半導体の内部の抵抗成分も、抵抗器もノイズ源になります。　 しかし、抵抗器から出るサーマルノイズは半導体が出すそのほかのノイズに比べてずいぶん小さいのが普通です。　 一度ホワイトノイズがほしくて 10MΩ を使って発生させてみたことがありますが、実際にはそれを受け取る FET のノイズの方が大きく含まれていました。
このノイズを小さくするには、式が示すように、温度を下げることと抵抗値を下げることと帯域を狭くすること以外に方法はありません。　 たいていの場合それらはほかの要求と衝突することになるでしょう。

フリッカノイズは素子の性格に大いに依存するノイズです。　これは電流がある時に発生するもので、流す電流の平方根に比例して増加します。
原因はさまざまですので一つ一つ取り上げることができません。　 たとえば抵抗の端子接続の不安定性といったことや、ものすごく周期の長いものでは、 環境温度の変化（夏冬）によるトランジスタのベースエミッタ間電圧の変動といったことまであげられるでしょう。

ノイズ電圧(e)の実効値は：

     e = sqrt ｛ ∫ (K^2 / f)  df }          (Vrms)

で表せますが、K は DUT 素子特有の常数になります。　f は測定周波数ですから、周波数が低くなるに従って平方根で増加します。　 K^2/f がノイズ電力密度になります。
トランジスタのフリッカノイズは近年ずいぶん小さくなってきました。　 可聴帯域ではショットノイズとサーマルノイズの方が大勢を占めています。

抵抗器の 1/f ノイズは物の本によると巻線抵抗が一番低いそうです。　電流に比例しますから、低い電流値で使うといいでしょう。　 私の経験では、実際の低周波増幅器の回路ではフリッカノイズよりもサーマルノイズやトランジスタのノイズの方がはるかに大きく、 カーボン抵抗と金属被膜抵抗の差はほとんど分かりませんでした。

ショットノイズは電子が電位差によって運ばれてきて電極に到達した時に発生します。　 電子がつぶつぶでできているので、なめらかではないという概念です。　電子の到達ですから電流が大きくなると大きくなります。

ノイズ電流（In)は：

     In = sqrt ( 2 * q * I * Δf )     (Arms)

で表されます。　ここで、q は電子の電荷(1.62E-19C)、 I は平均電流(A)、 Δf は測定帯域(Hz)です。　 ショットノイズ電圧は２つの電極間のインピーダンスをかければ出てきますから、例えば（エミッタ接地の） コレクタ電極でのショットノイズはほとんどコレクタ負荷抵抗で決まることになり、かなり大きくなります。

１番で書いたサーマルノイズも、このショットノイズも Δf の平方根に比例するのでホワイトノイズの性質を持っています。　 ノイズの電圧は瞬時瞬時で変動していて電圧計がふらつきますから測りにくいのですが、 ホワイトの時はスコープ上でおおよその見当を付けることもできます。　 ガウス分布をしますので rms と ピーク・ピークの比は 6 倍から 9 倍程度になります。　 この図は 5MHz の広い帯域を 1ms の長い期間で観察した場合で、p-p（赤い破線）は 8.2 倍になっています。

この倍率は一定の値ではありません。　ノイズはマルコフ過程ですから、観測する期間によって高い電圧が現れる確率が異なります。　 長く観測すれば高い電圧が出てきますので、倍率は大きくなるということです。

以前 ポップコーンノイズについて記事を書きましたが、最近のトランジスタではほとんど見かけられません。
このノイズは、半導体製造中に、例えばドナーやアクセプタを打ち込むときに別の重イオンが入ってしまったときなどに見られます。　 0.1 秒かそれ以上の長い不規則な間隔で、ガウス分布をはずれた大きなバーストが入ります。　 1970 年代初期の頃はこれを避けるため、トランジスタや IC の選別をしていました。　 私自身も、各トランジスタメーカの技術レベルを推測するために、 たくさんのトランジスタをそれぞれから提出してもらって試験したことがあります。
今の半導体では気にすることはないでしょう。

アバランチノイズは PN 接合を逆バイアスにして大きい電圧をかけ、アバランチ電流が流れたときに起こります。
電界によって加速された電子が空乏層を進むとき、半導体の結晶格子にぶつかって電子・ホール対を発生させます。　 その電子やホールが電界で加速され、また別の電子・ホール対を作ってどんどん増え、雪崩が起こります。　 これはランダムな現象ですのでノイズが観測されます。
ノイズパターンはショットノイズと同じですが、はるかに大きな電圧になります。

以前の記事を参考にしてください。

可変抵抗器の摺（しゅう）動子が動いたとき、様々な雑音が出ます。　
－摺動子の接触点を電流が流れていると、その接触抵抗の変化による雑音が出ます。
－抵抗体の両端に電圧がかかっていると、摺動子はその電圧間で電位が変動しますから周波数の低い雑音になります。
－抵抗体の抵抗の変化はミクロで見るとなめらかではありませんから、動きに比例した電圧変化ではなく、雑音になります。

すぐ気が付くと思いますが、２つ目の雑音は端子電圧によっては非常に高い電位変化となりますので１つ目の雑音などがマスクされて見えなくなります。　 しかし耳には良く聞こえる現象になります。　ですから、測定するときは適当に低い周波数をカットしなければなりません。　 一つの例として JIS6443 の付図 9 の規定（右図）があります。　回す速さや抵抗体にかけておく電圧も規定されます。

商用周波かその２倍の高調波のノイズが電磁誘導や静電誘導によってまぎれこんだものをハムと呼んでいます。　 テレビの垂直信号も 60Hz ですが、これが紛れ込んだときは、ハムより極端に歪んでいるのでバズといいます。　
音の感覚で名付けられていますので、原因がどうであれ、それに似た音を出すノイズはすべて同じ名前です。

ハムは、オシロスコープで信号と電源電圧とでリサージュを描かせると良く判別できます。　 ホワイトノイズに紛れ込んでいる 120Hz のリップルはこうやって見つけます。　 時間スイープでは見つかりません。　最近は FFT で 60Hz や 120Hz が簡単に分離して測定できるようになりました。

人や服が機械にさわって静電気放電したときに、誘導によって信号ラインに潜り込むときがあります。
また、大規模な場合は雷などの空電でも同じことが起こります。

－　アルファ線 (alpha partcle)
半導体のパッケージ（IC の黒い樹脂）に放射性の原子が紛れ込んでいると、それが崩壊したときにアルファ線を出すことがあります。　 それがゲート絶縁膜に当たると雑音になります。　メモリーではエラーになったりします。　 まあ 30 年も前の話ですから、その後改良が進んで最近のパッケージでは見られなくなりました。

－　漏話 (leakage)
本来の目的信号に接近して別の信号があったとき、漏れてくる場合があります。　 電話の線間の漏話もそうですし、ステレオの左右のチャンネルが IC の中で接近していて漏れる場合もそうです。

－　電磁界 (electromagnetic field)
この雑音には特に名前が付いていませんが、とても頻繁に観測されるものです。　 私の場合は一番に気にしなければならないものです。
原因は、近くの放送局、PC からの電磁界、電子レンジ、エアコン、携帯電話、蛍光灯、などなどいっぱいあります。　 PC が無い頃は放送局の波が一番の原因でした。　感度のいいノイズ測定をしているときはたいてい入っていました。
いまでは PC が一番近くにありますから、そのスイッチング電源から出ている波が最悪です。

－　商用電源のトランジェント (power line trangent)
近くの電気機器の電源を ON/OFF したときに電源が揺さぶられて潜り込むときがあります。　 まあ受ける側でしっかりした設計をすればそれほど問題にはなりません。

－　電池 (battery voltage)
電池の電圧はノイズが入っています。　 昔、医療機器を作ったときに 006P の電池で動かしたのですが、その電圧にはノイズが乗っていてデッカプリングを大きくして落としたことがありました。 1/f ノイズだった気がします。
それを思い出して記事にしようと思ったのですが、最近の 006P はずいぶんノイズが小さくなっていましたのでその記事は書いていません。

－　異種金属 (Seebeck effect)
異種金属が接触しているところでは温度によって接触電位差が現れます。
（ゼーベック効果による電圧は低いのですが、インピーダンスがものすごく低いですから、非常に大きな電流を取り出すことができます。　 ガス器具ではその電流でリレーやプランジャを引いています。）

－　まだまだあるかも (who knows)