了解并消除1/f噪声

本文定义了1/f噪声，并探讨了在精密测量应用中减少或消除它的方法。1/f噪声不能被过滤掉，在精密测量应用中，它可能是实现最佳性能的一个限制。

什么是1 / f噪音？

1/f噪声是低频噪声，其噪声功率与频率成反比。噪音不仅在电子学中，而且在音乐、生物学甚至经济学中都能观察到。¹对于1/f噪声的来源仍有广泛的争论，在这一领域的许多研究仍在进行。²

看看电压噪声谱密度ADA4622-2图1所示的运放，我们可以看到图中有两个不同的区域可见。在图1的左侧我们可以看到1/f噪声区域，在图1的右侧，我们可以看到宽带噪声区域。1/f噪声和宽带噪声之间的交点称为1/f角。

图1所示。电压噪声谱密度。

我们如何测量和确定1/f噪声?

在比较了一些运放的噪声密度图后，很明显，每个产品的1/f角都是不同的。为了便于比较组件，我们需要在测量每个组件的噪声时使用相同的带宽。对于低频电压噪声，标准规格为0.1 Hz至10 Hz峰间噪声。对于运放，可以使用图2所示的电路测量0.1 Hz到10 Hz的噪声。

图2。低频噪声测量。

运算放大器采用单位增益反馈结构，输入端接地。运算放大器的电源是分开的，允许输入和输出在地面。

有源滤波器块限制了所测噪声的带宽，同时提供了来自运放噪声的1000倍增益。这就确保了来自被测设备的噪声是主要的噪声源。运算放大器的偏移量并不重要，因为滤波器的输入是交流耦合的。

滤波器的输出连接到示波器，测量峰值电压10秒，以确保我们捕获完整的0.1 Hz至10 Hz带宽（1/10秒= 0.1 Hz）。然后，范围所示的结果除以1000的增益来计算0.1Hz至10 Hz噪声。图3显示了ADA4622-2的0.1Hz至10 Hz噪声。ADA4622-2具有非常低，0.1Hz至10 Hz噪声仅为0.75μVP-P典型。

图3。0.1 Hz ~ 10hz噪声，V_SY=±15 V, G = 1000。

1/f噪声对我的电路有什么影响?

一个系统的总噪声是系统中每个组件的1/f噪声和宽带噪声的组合。无源元件有1/f噪声，电流噪声也有1/f噪声分量。然而，对于低电阻，1/f噪声和电流噪声通常太小而不能考虑。本文只关注电压噪声。

要计算总系统噪声，我们计算了1 / F噪声和宽带噪声，然后将它们组合在一起。如果我们使用0.1Hz至10 Hz噪声规范来计算1 / F噪音，那么我们假设1 / F角落低于10 Hz。如果1 / F角位于10 Hz以上，那么我们可以使用以下公式估计1 / f噪声：^3.

地点:

e_n1Hz.是1 Hz的噪声密度，

f_h为1/f噪声角点频率，

f_l是1 /孔径时间。

例如，如果我们想估计ADA4622-2的1 / F噪声，则FH约为60 Hz。我们将FL设置为等于1 /孔径时间。光圈时间是总测量时间。如果我们将光圈时间或测量时间设置为10秒，则FLIS 0.1 Hz。1 Hz，EN1Hz的噪声密度约为55nV√Hz。这使我们在0.1Hz和60 Hz之间提供了139个NVRM。要将其转换为峰到峰，我们应该乘以6.6，这将为我们提供约0.92μVP-P。⁴这大约比0.1 Hz到10 Hz的规格高23%。

宽带噪声可以用以下公式计算:

地点:

e_n为1khz时的噪声密度，

NEBW为噪声等效带宽。

噪声等效带宽考虑了由于滤波器逐渐滚动而超出滤波器截止频率的附加噪声。噪声等效带宽取决于滤波器的极点数和滤波器类型。对于一个简单的单极低通巴特沃斯滤波器，其NEBW为1.57 ×滤波器截止。

ADA4622-2的宽带rms噪声在1 kHz时只有12 nv√Hz。在输出端使用一个截止频率为1khz的简单RC滤波器，其宽带rms噪声约为475.5 nV_rms，可计算如下:

注意，一个简单的低通RC滤波器与一个单极低通巴特沃斯滤波器具有相同的传递函数。

为了得到总噪声，我们必须把1/f噪声和宽带噪声加在一起。为了做到这一点，我们可以使用平方根法，因为噪声源是不相关的。

利用这个方程，我们可以计算出ADA4622-2在简单的1 kHz下的总均方根噪声，RC滤波器输出为495.4 nV rms。这仅仅比宽带噪音高出4%多一点。从这个例子中可以清楚地看出，1/f噪声只影响从直流测量到非常低带宽的系统。一旦你离开1/f角大约10年或更久，1/f噪声对总噪声的贡献就变得几乎小到不必担心了。

因为噪音加在一起是平方根，我们可以决定忽略较小的噪声源，如果它低于1/5^th较大的噪声源，其比率低于1/5^th噪声对总噪声的贡献大约增加1%。⁵

我们如何消除或减轻1/f噪音?

斩波稳定，或斩波，是一种降低放大器偏移电压的技术。然而，由于1/f噪声接近直流低频噪声，该技术也能有效地降低1/f噪声。斩波稳定的工作原理是在输入级交替或斩波输入信号，然后在输出级再次斩波。这相当于用方波调制。

图4。ADA4522体系结构框图。

参照图4所示的ADA4522架构框图，输入信号在肖邦阶段被调制到斩波频率。在CHOPOUT阶段，输入信号被同步解调回其原始频率，同时放大器输入级的偏置和1/f噪声被调制到斩波频率。除了降低初始偏置电压外，偏置电压与共模电压的变化也得到了降低，从而获得了非常好的直流线性度和高的共模抑制比(CMRR)。斩波还降低了相对于温度的偏置电压漂移。由于这个原因，使用斩波的放大器通常被称为零漂移放大器。需要注意的一个关键问题是，零漂移放大器只去除放大器的1/f噪声。任何来自其他来源的1/f噪声，如传感器，将不受影响通过。

使用斩波的折衷之处在于，它在输出中引入了开关效应，并增加了输入偏置电流。当在示波器上观察放大器的输出时，小故障和纹波是可见的，而当使用频谱分析仪时，噪声频谱密度中的噪声峰值是可见的。来自模拟设备的最新的零漂移放大器，如ADA4522 55v零漂移放大器系列，使用专利的偏移和纹波校正环路电路，以减少开关效应。⁶

图5。时域输出电压噪声。

斩波也可以应用于仪表放大器和adc。最新发布的AD7177-2 32位σ - δ ADC，利用斩波技术消除1/f噪声，最大程度地降低温度漂移。

使用方波调制的一个缺点是方波包含许多次谐波。每个谐波处的噪声将被解调回直流电。如果采用正弦波调制，那么这种方法对噪声的影响就小得多，并且可以在存在大噪声或干扰的情况下恢复非常小的信号。这是锁定放大器使用的方法。⁷

图6.用锁定放大器测量表面污染。

在图6所示的示例中，通过使用正弦波来控制光源来调制传感器输出。光电检测电路用于检测信号。信号一旦通过信号调理阶段，就可以被解调。同样的正弦波被用来调制和解调信号。解调返回传感器输出到直流，但也将信号调理阶段的1/f噪声转移到调制频率。解调可在模数转换器转换后在模拟域或数字域进行。一个非常窄的低通滤波器-例如，0.01赫兹-被用来抑制直流以上的噪声，我们只剩下极低噪声的原始传感器输出。这依赖于传感器输出是准确的直流，因此正弦波的精度和保真度是重要的。这种方法消除了信号调理电路的1/f噪声，但不能消除传感器的1/f噪声。

如果传感器需要励磁信号，那么使用交流励磁可以消除传感器的1/f噪声。交流励磁的工作原理是通过交流传感器励磁源产生一个从传感器输出的方波，然后减去从励磁的每个相位的输出。这种方法不仅可以消除传感器的1/f噪声，还可以消除传感器中的偏置漂移和消除不必要的寄生热电偶效应。⁸

图7。桥式传感器的交流激励。

AC激励可以使用离散开关进行并用微控制器控制它们。AD7195低噪声，低漂移，带内部PGA的24位Σ-ΔADC包括用于实现传感器的AC激励的驱动器。ADC通过将传感器激励与ADC转换同步，使AC激励更容易使用，ADC透明地管理交流激励。

图8。使用24位σ - δ ADC的精密称重秤设计交流激。

实现

当使用零漂移放大器和零漂移adc时，非常重要的是要了解每个组件的斩波频率和可能发生的互调失真(IMD)。当两个信号组合时，产生的波形将包含原始的两个信号，以及这两个信号的和和差。

例如，如果我们考虑一个简单的电路，使用ADA4522-2零漂移放大器和AD7177-2 σ - δ ADC，各个部分的斩波频率将混合，产生和和差信号。的ADA4522-2开关频率为800khz，而AD7177-2开关频率为250khz。这两种开关频率的混合将在550khz和1050khz产生额外的开关效应。在这种情况下，AD7177-2数字滤波器的最大角点频率为2.6 kHz，远低于最低伪影，并将消除所有的IMD伪影。然而，如果两个相同的零漂移放大器串联使用，产生的IMD将是各部件内部时钟频率的差值。这种差异可能很小，因此，IMD会更接近dc，更有可能落在感兴趣的带宽之内。

在任何情况下，当设计一个使用零漂移或斩波部件的系统时，考虑IMD是很重要的。应该注意的是，大多数零漂移放大器的开关频率比ADA4522-2低得多。事实上，在设计精密信号链时，高开关频率是使用ADA4522家族的一个关键优势。

结论

1/f噪声可以限制任何精密直流信号链的性能。然而，它可以通过使用斩波和交流励磁等技术来消除。使用这些技术需要一些权衡，但现代的放大器和σ - δ变换器已经解决了这些问题，使得零漂移产品更容易在更广泛的终端应用中使用。

参考

1.w·h·出版社。”在天文学和其他地方的闪烁噪音《天体物理学》评论，1978年。(PDF)

2.F.N. Hooge。”1 / f噪声来源《IEEE电子器件汇刊》第41、11卷。, 1994年。

3.mt - 048。”运算放大器噪声关系：1 / f噪声，RMS噪声和等效噪声带宽《模拟设备》，2009年。(PDF)

4.沃尔特·荣格。”运放应用手册”。Newnes, 2005年。

5.mt - 047。”运算放大器的噪声“模拟装置,2009。(PDF)

6. Kusuda Wong。”零漂移放大器:现在很容易在高精度电路中使用《模拟对话》第49卷，2015年。

7. Luis Oropco。”同步检测器促进了精确的低级别测量。“模拟对话卷。48,2014。

8.艾伯特ʼGrady阿。”换能器/传感器的激励和测量技术《模拟对话》第34卷，2000年。

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