如何消除或降低1/f噪声？

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如果1/f噪声无法被滤除，那么在精密测量应用中它可能就是妨碍实现最佳性能的一个限制因素。

如何拔除限制因素，ADI来给你们支个招！

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，其实仍存在很大争议。

Tips

斩波稳定或斩波是一种降低放大器失调电压的技术。由于1/f噪声是接近DC的低频噪声，所以斩波稳定或斩波也能有效降低1/f噪声。

斩波稳定的工作原理：对输入级的输入信号进行交替或斩波，然后再对输出级的信号进行斩波。这相当于利用正弦波进行调制。

参考图1所示的ADA4522架构框图，输入信号在CHOPIN级调制到斩波频率。在CHOPOUT级，输入信号同步解调回到原始频率，同时放大器输入级的失调和1/f噪声被调制到斩波频率。除了降低初始失调电压之外，失调相对于共模电压的变化也会缩小，从而获得非常好的直流线性度和高共模抑制比(CMRR)。

图1. ADA4522架构框图

斩波还会降低失调电压温漂。因此，采用斩波技术的放大器常被称为零漂移放大器。需要注意的一点是，零漂移放大器仅消除了放大器的1/f噪声。任何其他来源（如传感器）的1/f噪声会不受影响地通过。

使用斩波的缺点是它会将开关伪像引入输出并提高输入偏置电流。在示波器上查看时，可以看到放大器输出上的毛刺和纹波；利用频谱分析仪查看时，可以在噪声频谱密度中看到噪声尖峰。ADI最新零漂移放大器（如ADA4522 55 V零漂移放大器系列）采用已获专利的失调和纹波校正环路，以最大程度减少开关伪像。

图2. 时域中的输出电压噪声

Tips

斩波技术也可应用于仪表放大器和ADC。真正的轨到轨、零漂移仪表放大器AD8237，新型低噪声、低功耗、24位∑-∆型ADC AD7124-4，以及最近发布的超低噪声、32位∑-∆型ADC AD7177-2等产品，即利用斩波来消除1/f噪声并使温漂最小。

使用方波调制有一个缺点，那就是方波包含许多谐波。各谐波的噪声会被解调回到DC。如果使用正弦波调制，那么这种方法受噪声影响要小得多，可以在有大噪声或干扰的情况下还原非常小的信号。这是锁定放大器采用的方法。

在图3所示例子中，传感器输出由正弦波调制以控制光源。利用光电检测器电路检测信号。一旦信号通过信号调理级，便可进行解调。利用相同正弦波调制和解调信号。解调使传感器输出回到DC，但也将信号调理级的1/f噪声移至调制频率。解调既可在模拟域中完成，也可在ADC转换之后的数字域中完成。利用非常窄的低通滤波器（例如0.01 Hz）抑制DC以上的噪声，这样只剩下原始传感器输出和极低噪声。这要求传感器输出恰好在DC，因此正弦波的精度和保真度很重要。此方法可消除信号调理电路的1/f噪声，但不能消除传感器的1/f噪声。

图3. 使用锁定放大器测量表面污染程度

如果传感器需要一个激励信号，那么可以利用交流激励消除传感器的1/f噪声。交流激励工作原理如下：交替改变传感器激励源以从传感器产生一个方波输出，然后从激励的各相中减去输出。利用这种方法，我们不仅能消除传感器的1/f噪声，还能消除传感器的失调漂移以及不良寄生热电偶效应。

图4. 桥式传感器的交流激励

交流激励可利用分立开关完成，并通过微控制器控制开关。内置PGA的低噪声、低漂移、24位∑-∆型ADC AD7195含有驱动器来实现对传感器的交流激励。ADC透明地管理交流激励，传感器激励与ADC转换同步，使交流激励更容易使用。

图5. CN-0155—利用内置PGA和交流激励的24位∑-∆型ADC实现精密电子秤设计

Tips

使用零漂移放大器和零漂移ADC时，必须知道各器件的斩波频率，并清楚可能发生交调失真(IMD)。当两个信号结合时，所得波形不仅含有原先的两个信号，还有这两个信号频率的和与差。

例如，考虑一个采用ADA4522-2零漂移放大器和AD7177-2 ∑-∆ ADC的简单电路，各器件的斩波频率会混频，产生和与差信号。ADA4522-2的开关频率为800 kHz，而AD7177-2的开关频率为250 kHz。这两个开关频率的混频会在550 kHz和1050 kHz产生额外的开关伪像。这种情况下，AD7177-2数字滤波器的最大转折频率为2.6 kHz，远低于最低伪像，故将会滤除所有这些IMD伪像。然而，如果串联使用两个完全相同的零漂移放大器，那么产生的IMD将是器件内部时钟频率之差。此差值可能很小，所以IMD会出现在离DC近得多的地方，落在目标带宽之内的可能性更大。

任何情况下，当设计一个采用零漂移或斩波器件的系统时，必须考虑IMD。应当注意，大多数零漂移放大器的开关频率远低于ADA4522-2。事实上，设计精密信号链时，高开关频率是ADA4522系列的一项关键优势。

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