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自然發生。它還可能是由導電通道中的污染物、基極電流引起的晶體管內部產生和復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。所有電氣設備通常都會遇到這種噪聲，這種噪聲有多種來源，但通常與直流流相關。它在各種電子領域都很重要，對于用作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，因此有時稱為低頻噪聲。在幾KHz以下，這種噪聲通常是可見的。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噪聲占主導地位，而其他區域則由散粒噪聲和熱噪聲或兩者兼而有之等來源的白噪聲占主導地位。在振蕩器中，閃爍噪聲表現為靠近載波的邊帶，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地位的區域之間有一個轉折頻率fc。通常發現，閃爍噪聲占主導地位的區域之外的噪聲是振蕩器等系統的相位噪聲。隨著載波偏移的增加，它會衰減，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（可以達到GHz水平），后者的fc通常低于2

kHz。在構建RF振蕩器時，閃爍噪聲或1/f噪聲是一種關鍵的噪聲類型。雖然它經常被忽視，但它的影響可以通過選擇合適的小工具來減少。

圖2：觀察器中的閃爍噪聲

半導體中的閃爍噪聲

半導體噪聲的性質及其在半導體器件中的指定方式將在以下部分進行介紹。由于每個半導體噪聲源的來源都是一個隨機過程，因此噪聲的瞬時幅度是不可預測的。

振幅的分布是高斯（正態）。

圖 3：半導體中的閃爍噪聲

請記住，噪聲 （Vn） 的 RMS 值等于噪聲分布的標準偏差 （σ）。隨機噪聲源的RMS和峰值電壓具有以下關系：VnP-P = 6.6

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

（RSS） 方式幾何倍增，但相關信號是線性相加的。

運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，還會發生閃爍噪聲，因此通常被稱為過量噪聲。在不同程度上，其他電阻類型也表現出閃爍噪聲，其中線圈的導線最少。所使用的電阻類型不會影響電路中的噪聲，因為閃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，熱噪聲將占主導地位。放大電阻以最大限度地降低運算放大器電路中的功耗，可能會降低1/f噪聲，但代價是熱噪聲增加。以下是計算閃爍噪聲的公式：

圖 4：輕拂噪點公式

其中 Ke 和 Ki 是比例常數（伏特或安培），表示 1 Hz 時的 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的情況下嘗試濾除這種噪聲。不過，還是有一些希望。雖然放大器固有的1/f噪聲超出了系統設計人員的控制范圍，但可以通過選擇合適的放大器來降低這種噪聲源。如果1/f噪聲是一個主要問題，最好的選擇是零漂移放大器。

圖 5：零漂移運算放大器圖表

任何使用不斷自校正架構的放大器在業界都被稱為“零漂移”，無論它是使用自穩零拓撲、斬波穩定拓撲還是兩者的組合。無論使用何種特定架構，零漂移放大器的目標都是降低失調和失調漂移。其他直流特性，如共模和電源抑制，在手術過程中也顯著增強。在失調校正過程中消除1/f噪聲是這些自校正設計的另一個顯著優勢。該噪聲源出現在輸入端，移動相對較慢，因此它看起來像放大器失調的一個組成部分，并相應地進行調整。

閃爍噪聲的工作原理

通過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，會產生閃爍噪聲。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源。由于儀表放大器使用半導體來記錄電信號，因此這種現象在這些材料中很常見。

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

閃爍噪聲方程

簡而言之，幾乎所有電子元件都會產生閃爍噪聲。有鑒于此，本文將討論半導體器件，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

閃爍噪聲的優點

由于噪聲是低頻的，如果頻率增加，它會變得更安靜。

它是半導體器件中存在的一種先天噪聲，由其物理和制造過程引起。

這種效應通常在低頻的電氣元件中可見。

閃爍噪聲的缺點

在任何精密直流信號鏈中，這種噪聲都會妨礙性能。

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。

閃爍噪聲的應用

某些無源器件和所有有源電子元件都包含這種噪聲。

這種現象通常發生在半導體中，半導體主要用于在儀表放大器中存儲電信號。

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。

這種噪音通常出現在活動小工具中，因為電荷傳達了不可預測的行為。