什么是1-f噪声_1-f噪声对电路有何影响_如何消除或降低1-f噪声.doc
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1、什么是1/f噪声_1/f噪声对电路有何影响_如何消除或降低1/f噪声简介本文阐释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最佳性能的一个限制因素。什么是1/f噪声?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1。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2。在图1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1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
2、/f转折频率。图1. ADA4622-2电压噪声频谱密度如何测量及规定1/f噪声?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2所示电路来测量。图2. 低频噪声测量运算放大器为单位增益配置,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
3、。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 V p-p。图3. 0.1 Hz至10 Hz噪声,VSY = 15 V,G = 10001/f噪声对电路有何影响?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
4、/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3估算1/f噪声:其中:en1Hz为1 Hz时的噪声密度,fh为1/f噪声转折频率,fl为1/孔径时间。例如,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
5、时的噪声密度en1Hz约为55 nVHz。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 V p-p4。这比0.1 Hz至10 Hz规格高出约23%。宽带噪声可用下式计算其中:en为1 kHz时的噪声密度,NEBW为噪声等效带宽。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1.57 x 滤波器截止频率。ADA4622-2在1 kHz时的宽带均方根噪声仅为12 nvHz。输出端使用一个截止频率为1 kHz的简
6、单RC滤波器,宽带均方根噪声约为475.5 nVrms,可计算如下:注意,简单低通RC滤波器具有与单极点低通巴特沃兹滤波器相同的传递函数。为了获得总噪声,我们必须将1/f噪声和宽带噪声相加。为此我们可以使用和方根方法,因为这些噪声源是不相关的。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
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