闪烁噪声的工作原理/优缺点/应用

闪烁噪声概述

称为闪烁噪声或 1/f噪声的电子噪声几乎在所有电子部件中都会自然发生。它还可能是由导电通道中的污染物、基极电流引起的晶体管内部产生和复合噪声以及其他因素引起的。粉红噪声或 1/f噪声是此噪声的通用名称。所有电气设备通常都会遇到这种噪声，这种噪声有多种来源，但通常与直流流相关。它在各种电子领域都很重要，对于用作RF源的振荡器也很重要。

由于这种噪声的功率谱密度随频率增加而增加，因此有时称为低频噪声。在几KHz以下，这种噪声通常是可见的。闪烁噪声带宽范围为10 MHz至10 Hz。

图1：噪声电压与频率的关系

振荡器中的闪烁噪声

闪烁噪声与频率或1/f成反比，在许多应用中，例如RF振荡器，有些部分的闪烁噪声或1/f噪声占主导地位，而其他区域则由散粒噪声和热噪声或两者兼而有之等来源的白噪声占主导地位。在振荡器中，闪烁噪声表现为靠近载波的边带，其他类型的噪声以更平滑的频谱从载波延伸，但与载波的偏移越大，衰落。

因此，在各种类型的噪声占主导地位的区域之间有一个转折频率fc。通常发现，闪烁噪声占主导地位的区域之外的噪声是振荡器等系统的相位噪声。随着载波偏移的增加，它会衰减，直到平坦的白噪声接管。

MOSFET比JFET或双极晶体管具有更大的fc（可以达到GHz水平），后者的fc通常低于2 kHz。在构建RF振荡器时，闪烁噪声或1/f噪声是一种关键的噪声类型。虽然它经常被忽视，但它的影响可以通过选择合适的小工具来减少。

图2：观察器中的闪烁噪声

半导体中的闪烁噪声

半导体噪声的性质及其在半导体器件中的指定方式将在以下部分进行介绍。由于每个半导体噪声源的来源都是一个随机过程，因此噪声的瞬时幅度是不可预测的。

振幅的分布是高斯（正态）。

图 3：半导体中的闪烁噪声

请记住，噪声 （Vn） 的 RMS 值等于噪声分布的标准偏差 （σ）。随机噪声源的RMS和峰值电压具有以下关系：VnP-P = 6.6 VnRMS。任何信号的波峰因数都是峰峰值与RMS电压（VnP-P/VnRMS）的比值。由于高斯噪声源在统计上提供的峰峰值电压是RMS电压的6.6倍，或者在0.10%的时间内更高，因此公式1中的波峰因数为6.6。在图3中噪声电压密度曲线下的阴影区域中，超过3.0s的可能性为001.2。重要的是要记住，虽然随机信号（如噪声）以平方根 （RSS） 方式几何倍增，但相关信号是线性相加的。

运算放大器中的闪烁噪声

由于除了碳成分电阻器中存在的热噪声外，还会发生闪烁噪声，因此通常被称为过量噪声。在不同程度上，其他电阻类型也表现出闪烁噪声，其中线圈的导线最少。所使用的电阻类型不会影响电路中的噪声，因为闪烁噪声与器件中的直流电流成正比，因此如果电流保持足够低，热噪声将占主导地位。放大电阻以最大限度地降低运算放大器电路中的功耗，可能会降低1/f噪声，但代价是热噪声增加。以下是计算闪烁噪声的公式：

图 4：轻拂噪点公式

其中 Ke 和 Ki 是比例常数（伏特或安培），表示 1 Hz 时的 En 和 In.fMAX 和 fMIN 是以赫兹为单位的最小和最大频率。

如何消除运算放大器中的闪烁噪声

处理这种响亮的低频噪声的最佳方法是什么？由于带宽有限，几乎不可能在不改变重要信号的情况下尝试滤除这种噪声。不过，还是有一些希望。虽然放大器固有的1/f噪声超出了系统设计人员的控制范围，但可以通过选择合适的放大器来降低这种噪声源。如果1/f噪声是一个主要问题，最好的选择是零漂移放大器。

图 5：零漂移运算放大器图表

任何使用不断自校正架构的放大器在业界都被称为“零漂移”，无论它是使用自稳零拓扑、斩波稳定拓扑还是两者的组合。无论使用何种特定架构，零漂移放大器的目标都是降低失调和失调漂移。其他直流特性，如共模和电源抑制，在手术过程中也显著增强。在失调校正过程中消除1/f噪声是这些自校正设计的另一个显著优势。该噪声源出现在输入端，移动相对较慢，因此它看起来像放大器失调的一个组成部分，并相应地进行调整。

闪烁噪声的工作原理

通过将整体噪声水平提高到所有电阻器中都存在的热噪声水平以上，会产生闪烁噪声。相比之下，绕线电阻器的闪烁噪声最小。这种噪声仅存在于厚膜和碳成分电阻器中，称为剩余噪声。在两种材料的界面之间偶尔捕获和释放的电荷载流子可能是这种噪声的来源。由于仪表放大器使用半导体来记录电信号，因此这种现象在这些材料中很常见。

这种噪声仅与频率成反比。许多应用中都有各种领域，例如射频振荡器，其中噪声占主导地位，而其他领域则以散粒噪声和热噪声等来源的白噪声为主。正确构造的系统通常由这种低频噪声主导。

闪烁噪声方程

简而言之，几乎所有电子元件都会产生闪烁噪声。有鉴于此，本文将讨论半导体器件，特别是MOSFET器件的噪声。这种噪声的公式是S（f） = K/f。

热噪声与闪烁噪声

闪烁噪声的优点

由于噪声是低频的，如果频率增加，它会变得更安静。

它是半导体器件中存在的一种先天噪声，由其物理和制造过程引起。

这种效应通常在低频的电气元件中可见。

闪烁噪声的缺点

在任何精密直流信号链中，这种噪声都会妨碍性能。

在所有种类的电阻器中，总噪声水平都可以提高到热噪声水平以上。

它与频率相关。

闪烁噪声的应用

某些无源器件和所有有源电子元件都包含这种噪声。

这种现象通常发生在半导体中，半导体主要用于在仪表放大器中存储电信号。

该器件的放大能力受到BJT中这种噪声的限制。

在碳制电阻器中，存在这种噪声。

这种噪音通常出现在活动小工具中，因为电荷传达了不可预测的行为。