1/f 噪聲――閃爍的燭光

運算放大器的1/f (one-over-f)低頻區域噪聲好像有一些神秘。1/f噪聲也被稱(chēng)作閃爍噪聲， 像一道閃爍的燭光。在示波器上使用慢掃描來(lái)觀(guān)察1/f 噪聲可以看到一條漂移的基線(xiàn)(如圖1所示)，因為高頻噪聲疊加在較大的低頻成分上。1/ f噪聲通常被比喻為粉紅噪聲，同樣揭示出較大的低頻噪聲成分。閃爍噪聲經(jīng)常在物理系統和生命科學(xué)中出現。1/f 噪聲和天氣一樣， 是一個(gè)緩慢變化的過(guò)程， 你可能需要很長(cháng)的時(shí)間才能觀(guān)測到。我并不打算解釋為什么1/f噪聲會(huì )在半導體中存在------這是一個(gè)很深的主題!

2014-9-12 11:12:46 上傳

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閃爍噪聲的頻譜曲線(xiàn)以-10d B/十倍頻的斜率下降，斜率是R-C網(wǎng)絡(luò )單極點(diǎn)的一半。噪聲電壓的平方(或者功率)以1/f的斜率下降，噪聲電壓以1/ 的斜率下降。實(shí)際的斜率可能稍微有些變化，但是這并不影響結論。

利用波峰和波谷來(lái)測量閃爍噪聲的方法看起來(lái)顯得很笨拙。你必須在很長(cháng)的周期內做平均來(lái)得到一個(gè)合理的平穩值。0.1H z噪聲的周期是10 秒，所以要較好地測量低頻段0.1Hz的噪聲，你必須對很多10秒的周期做平均------五分鐘或者更多。對于0.01Hz 的噪聲，需要做更長(cháng)時(shí)間的平均。如果你重復地測量，你會(huì )發(fā)現測量結果是不一樣的。噪聲是隨機的并且1/f噪聲比其他噪聲更隨機。

為了估算帶寬f1到f2的總體噪聲VB，我們對1/f進(jìn)行積分，得到一個(gè)頻率比，f2/f1的自然對數結果。

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需要仔細思考的幾點(diǎn)：

· 每十倍頻(或者其他恒定的頻率比)帶來(lái)相同的噪聲。每上一個(gè)十倍頻有更小的噪聲密度，但是有更高的帶寬。

· 從頻譜曲線(xiàn)上，你可以推斷出1/ f噪聲隨著(zhù)不斷增加的時(shí)間會(huì )無(wú)窮地增大。的確是這樣的，但這是非常緩慢的。0.1Hz到10Hz噪聲是 Hz(周期為一年)到10Hz的近乎兩倍。十年后會(huì )增加額外的6%。

· 濾除1/f噪聲是有難度的，但并不是不可能的。0.1Hz到1KHz(四十倍頻)的閃爍噪聲濾除到10Hz(二十倍頻)僅僅減少了3dB的噪聲。低頻噪聲的電阻值必須很小，因為較低的頻率會(huì )使得電容值較大，從而得到一個(gè)較小的截止頻率。

運放噪聲由1/f噪聲和寬帶(白噪聲)組成。在1/f噪聲較大的低頻區，存在寬帶噪聲;在寬帶噪聲較大的高頻區，存在1/f噪聲。在轉折頻率區，這兩種噪聲隨機相加，使得噪聲有3dB的增長(cháng)。

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運放噪聲是在帶寬f1到f2內，分別對1/f噪聲和寬帶噪聲積分，然后做均方根相加。

·閃爍噪聲密度增加N倍時(shí)，轉折頻率增加N2。

· 盡管1/f噪聲看起來(lái)比較大，但是從轉折點(diǎn)的下一個(gè)十倍頻程到上一個(gè)十倍頻程的總噪聲中白噪聲起主要作用(平坦噪聲占了68%的比例)。

你可以下載一個(gè)Excel文件來(lái)估算1/f噪聲和寬帶噪聲，它可以產(chǎn)生一個(gè)類(lèi)似圖2的圖表。利用這個(gè)工具不斷修改你的電路，你會(huì )對這個(gè)問(wèn)題有一個(gè)更深刻的認識。

盡管BJT輸入級的運放(OPA211 )通常有更低的1/f噪聲，但新一代模擬IC工藝已大大改善了JFET和CMOS芯片。例如，OPA140 (JFET)、OPA376 (CMOS)運放分別有10Hz和50Hz的轉折頻率。斬波放大器通過(guò)修正失調電壓變化幾乎消除了1/f噪聲。