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) 内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。这是一种由传导路径不规则和晶体管内偏置电流引起的噪声引起的低频现象。闪烁噪声与频率成反比，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，从而抵消了 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），但低频仍然由 1/f 噪声主导。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，噪声基底与频率保持恒定，但在较低频率下，1/f 噪声开始占主导地位，高于白噪声。 一个常用指标是找到 1/f 拐角，即 1/f 噪声幅度与白噪声幅度相交的频率。

在上面的例子中，这个拐角出现在 120 Hz 左右。这个 1/f 拐角的频率将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信号（例如应变计、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？由于带宽较小，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，并非一切都失去希望。尽管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尽量减少该噪声源。如果 1/f 噪声是一个大问题，那么选择零漂移放大器是最好的解决方案。

行业标准术语“零漂移”是指任何使用连续自校正架构的放大器，无论它是自动调零拓扑、斩波稳定拓扑还是两者的某种混合。无论采用何种具体架构，零漂移放大器的目标都是尽量减少失调和失调漂移。在此过程中，其他直流特性（如共模和电源抑制）也得到了极大改善。这些自校正架构的另一个主要优点是，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，移动速度相对较慢，因此它似乎是放大器失调的一部分，并得到相应的补偿。这会导致放大器的本底噪声平坦，一直延伸到直流。

图 2 显示了采用斩波稳定架构的零漂移运算放大器的典型噪声形状。如上所述，1/f 噪声被消除，导致本底噪声一直平坦到直流。

这种斩波架构的一个缺点是噪声能量被调制为出现在斩波时钟频率及其奇次谐波附近。几乎所有斩波稳定放大器都包括内部低通或陷波滤波器，它们将显著衰减这种噪声。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；在这个例子中，它大约是 19 kHz。这是由于多路径拓扑和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稳定行为。对于低频应用，可以更轻松地降低这种较高频率的噪声，无论是使用低通滤波还是将放大器配置为具有更高的闭环增益，这样噪声频谱的这一部分将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。然而，这种噪声源不一定是低频数据采集系统的限制。除了提供卓越的直流性能（如低初始失调和低失调漂移）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 黄宇