如何消除放大器设计中的“闪烁噪声”

什么是“闪烁噪声”？

虽然运算放大器（op amp）中有许多不同的噪声源，但最神秘和最令人沮丧的噪声源可能是所谓的闪烁噪声。这是一种低频现象，由导通路径的不规则性和晶体管内偏置电流引起的噪声引起。闪烁噪声随频率成反比增加，速率为每倍频程3 dB，因此通常称为1/f噪声（“f”表示频率）。这种1/f噪声在较高频率下仍然存在，但运算放大器内的其他噪声源开始占主导地位，抵消了1/f噪声的影响。对于大多数运算放大器，这些其他噪声源在大多数频率范围内形成一致的白噪声（意味着它在频率范围内是恒定的），但低频仍然以1/f噪声为主。图1突出显示了标准运算放大器的典型噪声形状。在较高频率下，本底噪声随频率变化而恒定，但是，在较低频率下，1/f噪声开始占主导地位，高于白噪声。

一个常见的指标是定位1/f转折，这是1/f噪声幅度与白噪声幅度相交的频率。在上面的例子中，这个角出现在 120 Hz 左右。此 1/f 转折的频率会根据放大器的设计和工艺技术而变化，但 1/f 噪声始终存在。如果输入信号是低频的，例如应变片、压力传感器、热电偶或任何慢速移动的传感器信号的输出，这种低频噪声可能会非常成问题。

如何消除放大器设计中的“闪烁噪声”？

那么，如何处理这种占主导地位的低频噪声呢？由于带宽很小，试图在不影响目标信号的情况下滤除这种噪声几乎是不可能的。然而，所有的希望并没有丧失。虽然系统设计人员无法控制放大器的内部1/f噪声，但设计人员可以通过为应用选择合适的放大器来最小化该噪声源。如果1/f噪声是一个大问题，那么选择零漂移放大器是最佳解决方案。

行业标准术语“零漂移”是指使用连续自校正架构的任何放大器，无论它是自稳零拓扑、斩波稳定拓扑还是两者的混合。无论采用何种特定架构，零漂移放大器的目标都是使失调和失调漂移最小。在此过程中，共模和电源抑制等其他直流特性也得到了极大的改善。这些自校正架构的另一个关键优势是，1/f噪声作为失调校正过程的一部分被消除。该噪声源出现在输入端，移动相对较慢，因此它似乎是放大器失调的一部分，并得到相应的补偿。这导致放大器具有平坦的本底噪声，一直延伸到直流。

图2所示为采用斩波稳定架构的零漂移运算放大器的典型噪声波形。如上所述，消除了1/f噪声，从而产生平坦的本底噪声，一直到直流。

这种砍伐架构的一个缺点e是调制的噪声能量，以显示在斩波时钟频率及其奇次谐波周围。几乎所有斩波稳定放大器都包括内部低通或陷波滤波器，可显著衰减这种噪声。斩波稳定放大器的另一个与噪声相关的特性是它们表现出一些噪声峰值;在本例中，它约为 19 kHz。这是由于多路径拓扑结构以及需要补偿路径的每个部分，同时还要满足整体放大器设计目标，例如单位增益稳定性和适当的建立行为。对于低频应用，通过使用低通滤波或为放大器配置更高的闭环增益，可以更容易地降低这种较高频率的噪声，这样这部分噪声频谱就会由于放大器的增益滚降而显著衰减。

闪烁或1/f噪声是一种影响所有电子设备（包括运算放大器）的物理现象。但是，这种噪声源不一定是低频数据采集系统的限制。除了提供低初始失调和低失调漂移等卓越的直流性能外，零漂移放大器还具有消除1/f噪声的额外优势，这对于低频应用至关重要。

审核编辑：郭婷