閃爍噪聲概述

稱為閃爍噪聲或 1/f噪聲的電子噪聲幾乎在所有電子部件中都會(huì)自然發(fā)生。它還可能是由導(dǎo)電通道中的污染物、基極電流引起的晶體管內(nèi)部產(chǎn)生和復(fù)合噪聲以及其他因素引起的。粉紅噪聲或 1/f噪聲是此噪聲的通用名稱。所有電氣設(shè)備通常都會(huì)遇到這種噪聲，這種噪聲有多種來(lái)源，但通常與直流流相關(guān)。它在各種電子領(lǐng)域都很重要，對(duì)于用作RF源的振蕩器也很重要。

由于這種噪聲的功率譜密度隨頻率增加而增加，因此有時(shí)稱為低頻噪聲。在幾KHz以下，這種噪聲通常是可見(jiàn)的。閃爍噪聲帶寬范圍為10 MHz至10 Hz。

圖1：噪聲電壓與頻率的關(guān)系

振蕩器中的閃爍噪聲

閃爍噪聲與頻率或1/f成反比，在許多應(yīng)用中，例如RF振蕩器，有些部分的閃爍噪聲或1/f噪聲占主導(dǎo)地位，而其他區(qū)域則由散粒噪聲和熱噪聲或兩者兼而有之等來(lái)源的白噪聲占主導(dǎo)地位。在振蕩器中，閃爍噪聲表現(xiàn)為靠近載波的邊帶，其他類型的噪聲以更平滑的頻譜從載波延伸，但與載波的偏移越大，衰落。

因此，在各種類型的噪聲占主導(dǎo)地位的區(qū)域之間有一個(gè)轉(zhuǎn)折頻率fc。通常發(fā)現(xiàn)，閃爍噪聲占主導(dǎo)地位的區(qū)域之外的噪聲是振蕩器等系統(tǒng)的相位噪聲。隨著載波偏移的增加，它會(huì)衰減，直到平坦的白噪聲接管。

MOSFET比JFET或雙極晶體管具有更大的fc（可以達(dá)到GHz水平），后者的fc通常低于2

kHz。在構(gòu)建RF振蕩器時(shí)，閃爍噪聲或1/f噪聲是一種關(guān)鍵的噪聲類型。雖然它經(jīng)常被忽視，但它的影響可以通過(guò)選擇合適的小工具來(lái)減少。

圖2：觀察器中的閃爍噪聲

半導(dǎo)體中的閃爍噪聲

半導(dǎo)體噪聲的性質(zhì)及其在半導(dǎo)體器件中的指定方式將在以下部分進(jìn)行介紹。由于每個(gè)半導(dǎo)體噪聲源的來(lái)源都是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，因此噪聲的瞬時(shí)幅度是不可預(yù)測(cè)的。

振幅的分布是高斯（正態(tài)）。

圖 3：半導(dǎo)體中的閃爍噪聲

請(qǐng)記住，噪聲 （Vn） 的 RMS 值等于噪聲分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差 （σ）。隨機(jī)噪聲源的RMS和峰值電壓具有以下關(guān)系：VnP-P = 6.6

VnRMS。任何信號(hào)的波峰因數(shù)都是峰峰值與RMS電壓（VnP-P/VnRMS）的比值。由于高斯噪聲源在統(tǒng)計(jì)上提供的峰峰值電壓是RMS電壓的6.6倍，或者在0.10%的時(shí)間內(nèi)更高，因此公式1中的波峰因數(shù)為6.6。在圖3中噪聲電壓密度曲線下的陰影區(qū)域中，超過(guò)3.0s的可能性為001.2。重要的是要記住，雖然隨機(jī)信號(hào)（如噪聲）以平方根

（RSS） 方式幾何倍增，但相關(guān)信號(hào)是線性相加的。

運(yùn)算放大器中的閃爍噪聲

由于除了碳成分電阻器中存在的熱噪聲外，還會(huì)發(fā)生閃爍噪聲，因此通常被稱為過(guò)量噪聲。在不同程度上，其他電阻類型也表現(xiàn)出閃爍噪聲，其中線圈的導(dǎo)線最少。所使用的電阻類型不會(huì)影響電路中的噪聲，因?yàn)殚W爍噪聲與器件中的直流電流成正比，因此如果電流保持足夠低，熱噪聲將占主導(dǎo)地位。放大電阻以最大限度地降低運(yùn)算放大器電路中的功耗，可能會(huì)降低1/f噪聲，但代價(jià)是熱噪聲增加。以下是計(jì)算閃爍噪聲的公式：

圖 4：輕拂噪點(diǎn)公式

其中 Ke 和 Ki 是比例常數(shù)（伏特或安培），表示 1 Hz 時(shí)的 En 和 In.fMAX 和 fMIN 是以赫茲為單位的最小和最大頻率。

如何消除運(yùn)算放大器中的閃爍噪聲

處理這種響亮的低頻噪聲的最佳方法是什么？由于帶寬有限，幾乎不可能在不改變重要信號(hào)的情況下嘗試濾除這種噪聲。不過(guò)，還是有一些希望。雖然放大器固有的1/f噪聲超出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的控制范圍，但可以通過(guò)選擇合適的放大器來(lái)降低這種噪聲源。如果1/f噪聲是一個(gè)主要問(wèn)題，最好的選擇是零漂移放大器。

圖 5：零漂移運(yùn)算放大器圖表

任何使用不斷自校正架構(gòu)的放大器在業(yè)界都被稱為“零漂移”，無(wú)論它是使用自穩(wěn)零拓?fù)洹夭ǚ€(wěn)定拓?fù)溥€是兩者的組合。無(wú)論使用何種特定架構(gòu)，零漂移放大器的目標(biāo)都是降低失調(diào)和失調(diào)漂移。其他直流特性，如共模和電源抑制，在手術(shù)過(guò)程中也顯著增強(qiáng)。在失調(diào)校正過(guò)程中消除1/f噪聲是這些自校正設(shè)計(jì)的另一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)。該噪聲源出現(xiàn)在輸入端，移動(dòng)相對(duì)較慢，因此它看起來(lái)像放大器失調(diào)的一個(gè)組成部分，并相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。

閃爍噪聲的工作原理

通過(guò)將整體噪聲水平提高到所有電阻器中都存在的熱噪聲水平以上，會(huì)產(chǎn)生閃爍噪聲。相比之下，繞線電阻器的閃爍噪聲最小。這種噪聲僅存在于厚膜和碳成分電阻器中，稱為剩余噪聲。在兩種材料的界面之間偶爾捕獲和釋放的電荷載流子可能是這種噪聲的來(lái)源。由于儀表放大器使用半導(dǎo)體來(lái)記錄電信號(hào)，因此這種現(xiàn)象在這些材料中很常見(jiàn)。

這種噪聲僅與頻率成反比。許多應(yīng)用中都有各種領(lǐng)域，例如射頻振蕩器，其中噪聲占主導(dǎo)地位，而其他領(lǐng)域則以散粒噪聲和熱噪聲等來(lái)源的白噪聲為主。正確構(gòu)造的系統(tǒng)通常由這種低頻噪聲主導(dǎo)。

閃爍噪聲方程

簡(jiǎn)而言之，幾乎所有電子元件都會(huì)產(chǎn)生閃爍噪聲。有鑒于此，本文將討論半導(dǎo)體器件，特別是MOSFET器件的噪聲。這種噪聲的公式是S（f） = K/f。

熱噪聲與閃爍噪聲

閃爍噪聲的優(yōu)點(diǎn)

由于噪聲是低頻的，如果頻率增加，它會(huì)變得更安靜。

它是半導(dǎo)體器件中存在的一種先天噪聲，由其物理和制造過(guò)程引起。

這種效應(yīng)通常在低頻的電氣元件中可見(jiàn)。

閃爍噪聲的缺點(diǎn)

在任何精密直流信號(hào)鏈中，這種噪聲都會(huì)妨礙性能。

在所有種類的電阻器中，總噪聲水平都可以提高到熱噪聲水平以上。

它與頻率相關(guān)。

閃爍噪聲的應(yīng)用

某些無(wú)源器件和所有有源電子元件都包含這種噪聲。

這種現(xiàn)象通常發(fā)生在半導(dǎo)體中，半導(dǎo)體主要用于在儀表放大器中存儲(chǔ)電信號(hào)。

該器件的放大能力受到BJT中這種噪聲的限制。

在碳制電阻器中，存在這種噪聲。

這種噪音通常出現(xiàn)在活動(dòng)小工具中，因?yàn)殡姾蓚鬟_(dá)了不可預(yù)測(cè)的行為。