什么是“閃爍噪聲”？雖然運算放大器

(op amp) 內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。這是一種由傳導路徑不規則和晶體管內偏置電流引起的噪聲引起的低頻現象。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，但運算放大器內的其他噪聲源開始占主導地位，從而抵消了 1/f 噪聲的影響。對于大多數運算放大器，這些其他噪聲源在大多數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），但低頻仍然由 1/f 噪聲主導。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，噪聲基底與頻率保持恒定，但在較低頻率下，1/f 噪聲開始占主導地位，高于白噪聲。 一個常用指標是找到 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，這個拐角出現在 120 Hz 左右。這個 1/f 拐角的頻率將根據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信號（例如應變計、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？由于帶寬較小，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，并非一切都失去希望。盡管系統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。

行業標準術語“零漂移”是指任何使用連續自校正架構的放大器，無論它是自動調零拓撲、斬波穩定拓撲還是兩者的某種混合。無論采用何種具體架構，零漂移放大器的目標都是盡量減少失調和失調漂移。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。這些自校正架構的另一個主要優點是，1/f 噪聲作為失調校正過程的一部分被消除。該噪聲源出現在輸入端，移動速度相對較慢，因此它似乎是放大器失調的一部分，并得到相應的補償。這會導致放大器的本底噪聲平坦，一直延伸到直流。

圖 2 顯示了采用斬波穩定架構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，導致本底噪聲一直平坦到直流。

這種斬波架構的一個缺點是噪聲能量被調制為出現在斬波時鐘頻率及其奇次諧波附近。幾乎所有斬波穩定放大器都包括內部低通或陷波濾波器，它們將顯著衰減這種噪聲。斬波穩定放大器的另一個與噪聲相關的特性是它們表現出一些噪聲峰值；在這個例子中，它大約是 19 kHz。這是由于多路徑拓撲和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，例如單位增益穩定性和適當的穩定行為。對于低頻應用，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備（包括運算放大器）的物理現象。然而，這種噪聲源不一定是低頻數據采集系統的限制。除了提供卓越的直流性能（如低初始失調和低失調漂移）外，零漂移放大器還具有消除 1/f 噪聲的額外優勢，這對于低頻應用至關重要。

審核編輯 黃宇