概要

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本文阐释 1/f 噪声是什么，以及在精密测量应用中如何降低或消除该噪声。1/f 噪声无 法被滤除，在精密测量应用中它可能是妨碍实现优质性能的一个限制因素。

整体架构流程

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1/f 噪声是一种低频噪声，其噪声功率与频率成反比。人们不仅在电子装置中观测到 1/f 噪声，在音乐、生物学乃至经济学中也观察到这种噪声。关于 1/f 噪声的来源仍存在 很大争议，人们就此仍在开展研究。

技术名词解释

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技术细节

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      在图 所示 ADA4622-2 运算放大器的电压噪声频谱密度中，我们可以看到有两个不同 的区域。图  左边是 1/f 噪声区，右边是宽带噪声区。1/f 噪声和宽带噪声之间的交越 点称为 1/f 转折频率

     比较若干运算放大器的噪声密度曲线之后，可以得知每种产品的 1/f 转折频率是不同 的。为了便于比较器件，当测量各器件的噪声时，我们需要使用相同带宽。针对低频 电压噪声，标准规格是 0.1 Hz 至 10 Hz 峰峰值噪声。对于运算放大器，0.1 Hz 至 10 Hz 噪声可利用图 所示电路来测量。

        运算放大器放在为单位增益配置，同相输入端接地。运算放大器由双电源供电，这样 输入端和输出端可以与地电位相同。 有源滤波器模块限制所测量的噪声带宽，同时为来自运算放大器的噪声提供 1000 倍 增益，从而确保来自待测器件的噪声是主要噪声源。运算放大器的失调不重要，因为 滤波器输入为交流耦合。

        滤波器输出连接到示波器，并测量 10 秒的峰峰值电压，以确保捕捉到完整的 0.1 Hz 至 10 Hz 带宽（1/10 秒 = 0.1 Hz）。示波器上显示的结果随后除以 1000 倍增益，以计 算 0.1 Hz 至 10 Hz 噪声。图 3 显示了 ADA4622-2 的 0.1 Hz 至 10 Hz 噪声。ADA4622-2 的 0.1 Hz 至 10 Hz 噪声非常低，典型值仅为 0.75 μV p-p。

 

      系统的总噪声是系统中各器件的 1/f 噪声和宽带噪声之和。无源器件有 1/f 噪声，电流 噪声也有 1/f 噪声成分。但对于低电阻，1/f 噪声和电流噪声通常非常小，故不予以考 虑。本文仅聚焦于电压噪声。为了计算系统总噪声，我们先计算 1/f 噪声和宽带噪声， 再将其合并。如果使用 0.1 Hz 至 10 Hz 噪声规格来计算 1/f 噪声，那么我们假定 1/f 转 折频率低于 10 Hz。如果 1/f 转折频率高于 10 Hz，那么我们利用下式估算 1/f 噪声：   

     若要估算 ADA4622-2 的 1/f 噪声，则 fh 约为 60 Hz。我们设置 fl 等于 1/孔径时 间。孔径时间为总测量时间。如果设置孔径时间或测量时间为 10 秒，则 fl 为 0.1 Hz。 1 Hz时的噪声密度en1Hz约为55 nV√Hz。因此，0.1 Hz到60 Hz的噪声结果为139 nVrms。 为将此值转换为峰峰值，应乘以 6.6，故峰峰值噪声约为 0.92 μV p-p。这比 0.1 Hz 至 10 Hz 规格高出约 23%。宽带噪声可用下式计算：

 噪声等效带宽要考虑滤波器逐步滚降引起的超出滤波器截止频率的额外噪声。噪声等 效带宽取决于滤波器极点数和滤波器类型。对于简单的单极点低通巴特沃兹滤波器， NEBW 为 1.57x 滤波器截止频率。

       利用此等式，我们可以计算 ADA4622-2 输出端采用一个简单 1 kHz 低通 RC 滤波器时 的总均方根噪声为 495.4 nVrms。此噪声仅比宽带噪声高出 4%。从这个例子可以清楚 地知道，1/f 噪声仅影响测量频率从 DC 到极低带宽的系统。一旦比 1/f 转折频率高出 大约 10 倍或更多，1/f 噪声对总噪声的贡献就会变得微不足道。 噪声以和方根相加，如果较小噪声源比较大噪声源的大约 1/5 还低，那么我们可以决 定忽略较小噪声源，因为低于 1/5 的噪声源对总噪声的贡献只有大约 1%。

小结

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     1/f 噪声会限制精密直流信号链的性能。然而，可以利用斩波和交流激励等技术来消除 1/f 噪声。采用这些技术需权衡利弊，但现代放大器和 Σ-Δ 型转换器已解决这些问题， 使得零漂移产品更容易使用且终端应用范围更广。