如何消除放大器設計中的“閃爍噪聲”

什么是“閃爍噪聲”？

雖然運算放大器（op amp）中有許多不同的噪聲源，但最神秘和最令人沮喪的噪聲源可能是所謂的閃爍噪聲。這是一種低頻現(xiàn)象，由導通路徑的不規(guī)則性和晶體管內偏置電流引起的噪聲引起。閃爍噪聲隨頻率成反比增加，速率為每倍頻程3 dB，因此通常稱為1/f噪聲（“f”表示頻率）。這種1/f噪聲在較高頻率下仍然存在，但運算放大器內的其他噪聲源開始占主導地位，抵消了1/f噪聲的影響。對于大多數(shù)運算放大器，這些其他噪聲源在大多數(shù)頻率范圍內形成一致的白噪聲（意味著它在頻率范圍內是恒定的），但低頻仍然以1/f噪聲為主。圖1突出顯示了標準運算放大器的典型噪聲形狀。在較高頻率下，本底噪聲隨頻率變化而恒定，但是，在較低頻率下，1/f噪聲開始占主導地位，高于白噪聲。

一個常見的指標是定位1/f轉折，這是1/f噪聲幅度與白噪聲幅度相交的頻率。在上面的例子中，這個角出現(xiàn)在 120 Hz 左右。此 1/f 轉折的頻率會根據(jù)放大器的設計和工藝技術而變化，但 1/f 噪聲始終存在。如果輸入信號是低頻的，例如應變片、壓力傳感器、熱電偶或任何慢速移動的傳感器信號的輸出，這種低頻噪聲可能會非常成問題。

如何消除放大器設計中的“閃爍噪聲”？

那么，如何處理這種占主導地位的低頻噪聲呢？由于帶寬很小，試圖在不影響目標信號的情況下濾除這種噪聲幾乎是不可能的。然而，所有的希望并沒有喪失。雖然系統(tǒng)設計人員無法控制放大器的內部1/f噪聲，但設計人員可以通過為應用選擇合適的放大器來最小化該噪聲源。如果1/f噪聲是一個大問題，那么選擇零漂移放大器是最佳解決方案。

行業(yè)標準術語“零漂移”是指使用連續(xù)自校正架構的任何放大器，無論它是自穩(wěn)零拓撲、斬波穩(wěn)定拓撲還是兩者的混合。無論采用何種特定架構，零漂移放大器的目標都是使失調和失調漂移最小。在此過程中，共模和電源抑制等其他直流特性也得到了極大的改善。這些自校正架構的另一個關鍵優(yōu)勢是，1/f噪聲作為失調校正過程的一部分被消除。該噪聲源出現(xiàn)在輸入端，移動相對較慢，因此它似乎是放大器失調的一部分，并得到相應的補償。這導致放大器具有平坦的本底噪聲，一直延伸到直流。

圖2所示為采用斬波穩(wěn)定架構的零漂移運算放大器的典型噪聲波形。如上所述，消除了1/f噪聲，從而產生平坦的本底噪聲，一直到直流。

這種砍伐架構的一個缺點e是調制的噪聲能量，以顯示在斬波時鐘頻率及其奇次諧波周圍。幾乎所有斬波穩(wěn)定放大器都包括內部低通或陷波濾波器，可顯著衰減這種噪聲。斬波穩(wěn)定放大器的另一個與噪聲相關的特性是它們表現(xiàn)出一些噪聲峰值;在本例中，它約為 19 kHz。這是由于多路徑拓撲結構以及需要補償路徑的每個部分，同時還要滿足整體放大器設計目標，例如單位增益穩(wěn)定性和適當?shù)慕⑿袨?。對于低頻應用，通過使用低通濾波或為放大器配置更高的閉環(huán)增益，可以更容易地降低這種較高頻率的噪聲，這樣這部分噪聲頻譜就會由于放大器的增益滾降而顯著衰減。

閃爍或1/f噪聲是一種影響所有電子設備（包括運算放大器）的物理現(xiàn)象。但是，這種噪聲源不一定是低頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的限制。除了提供低初始失調和低失調漂移等卓越的直流性能外，零漂移放大器還具有消除1/f噪聲的額外優(yōu)勢，這對于低頻應用至關重要。

審核編輯：郭婷