如何消除放大器設(shè)計中的“閃爍噪聲”？

什么是“閃爍噪聲”？雖然運算放大器

(op amp) 內(nèi)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。這是一種由傳導(dǎo)路徑不規(guī)則和晶體管內(nèi)偏置電流引起的噪聲引起的低頻現(xiàn)象。閃爍噪聲與頻率成反比，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(nèi)的其他噪聲源開始占主導(dǎo)地位，從而抵消了 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(nèi)形成一致的白噪聲（意味著它在頻率范圍內(nèi)是恒定的），但低頻仍然由 1/f 噪聲主導(dǎo)。圖 1 突出顯示了標(biāo)準(zhǔn)運算放大器的典型噪聲形狀。在較高頻率下，噪聲基底與頻率保持恒定，但在較低頻率下，1/f 噪聲開始占主導(dǎo)地位，高于白噪聲。 一個常用指標(biāo)是找到 1/f 拐角，即 1/f 噪聲幅度與白噪聲幅度相交的頻率。

在上面的例子中，這個拐角出現(xiàn)在 120 Hz 左右。這個 1/f 拐角的頻率將根據(jù)放大器的設(shè)計和工藝技術(shù)而變化，但 1/f 噪聲始終存在。如果輸入信號是低頻信號（例如應(yīng)變計、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(shè)計中的“閃爍噪聲”？那么如何處理這種占主導(dǎo)地位的低頻噪聲？由于帶寬較小，試圖在不影響目標(biāo)信號的情況下濾除這種噪聲幾乎是不可能的。然而，并非一切都失去希望。盡管系統(tǒng)設(shè)計人員無法控制放大器的內(nèi)部 1/f 噪聲，但設(shè)計人員可以通過為應(yīng)用選擇合適的放大器來盡量減少該噪聲源。如果 1/f 噪聲是一個大問題，那么選擇零漂移放大器是最好的解決方案。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語“零漂移”是指任何使用連續(xù)自校正架構(gòu)的放大器，無論它是自動調(diào)零拓?fù)洹夭ǚ€(wěn)定拓?fù)溥€是兩者的某種混合。無論采用何種具體架構(gòu)，零漂移放大器的目標(biāo)都是盡量減少失調(diào)和失調(diào)漂移。在此過程中，其他直流特性（如共模和電源抑制）也得到了極大改善。這些自校正架構(gòu)的另一個主要優(yōu)點是，1/f 噪聲作為失調(diào)校正過程的一部分被消除。該噪聲源出現(xiàn)在輸入端，移動速度相對較慢，因此它似乎是放大器失調(diào)的一部分，并得到相應(yīng)的補償。這會導(dǎo)致放大器的本底噪聲平坦，一直延伸到直流。

圖 2 顯示了采用斬波穩(wěn)定架構(gòu)的零漂移運算放大器的典型噪聲形狀。如上所述，1/f 噪聲被消除，導(dǎo)致本底噪聲一直平坦到直流。

這種斬波架構(gòu)的一個缺點是噪聲能量被調(diào)制為出現(xiàn)在斬波時鐘頻率及其奇次諧波附近。幾乎所有斬波穩(wěn)定放大器都包括內(nèi)部低通或陷波濾波器，它們將顯著衰減這種噪聲。斬波穩(wěn)定放大器的另一個與噪聲相關(guān)的特性是它們表現(xiàn)出一些噪聲峰值；在這個例子中，它大約是 19 kHz。這是由于多路徑拓?fù)浜托枰a償路徑的每個部分，同時還要滿足整體放大器設(shè)計目標(biāo)，例如單位增益穩(wěn)定性和適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定行為。對于低頻應(yīng)用，可以更輕松地降低這種較高頻率的噪聲，無論是使用低通濾波還是將放大器配置為具有更高的閉環(huán)增益，這樣噪聲頻譜的這一部分將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(shè)備（包括運算放大器）的物理現(xiàn)象。然而，這種噪聲源不一定是低頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的限制。除了提供卓越的直流性能（如低初始失調(diào)和低失調(diào)漂移）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(yīng)用至關(guān)重要。

審核編輯 黃宇