这个让您夜不能眠的噪声,可以这样消除!

winniewei 提交于 周四, 06/06/2019
这个让您夜不能眠的噪声,可以这样消除!

你能测量的最小电压是多少?50nV or 10nV?还能更低吗?关键是:您的噪声还Hold住吗?

作为工程师的第一个项目是测量生产中的6½位数字万用表的建立时间。这似乎没什么难度,只需弄清最终建立值,然后反向求解可检测的最小变化是多少。一切准备妥当,输入短路,开始增加孔径时间i。同预期一样,噪声开始下降,达到一定程度后便停止下降,基线一直前进。

已经消除了外部噪声源、热电动势,甚至空调通风口的气流声。这些随机波动的噪声来自电路内部。但在消除了大部分宽带噪声之后,还有一种噪声残留不去。任何做过这种实验的人都会注意到这一限制。与常理相反的是,发现晚些停止下降的噪声比早些停止时还要高。发生这种现象时,便知道测量处于1/f噪声区域。

这种1/f噪声(或闪烁噪声)是精密测量最普遍的限制。之所以取这个名称,是因为其功率谱密度与频率成反比,如下式所示:

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其中,k为幅度系数,a为大于0的指数,但在基本形式中,a = 1。该噪声最终会小于宽带噪声,产生一个转折频率,如图1所示。在电子电路之外的领域,比如地球转动、经济指标和生物系统等,也已发现此类噪声存在的证据。虽然最聪明的科学家也不知道其根本原因是什么,但若要进行低电平测量,必须懂得如何减轻其影响。

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图1.低噪声电子器件的典型噪声谱密度图

从现成器件开始。现有最高灵敏度的ADC芯片是AD7177-2,其在5 SPS时的噪声为200 nV p-p。但是,在ADC之前添加一定的增益,便可实现更好的性能。这时,需要一种既有低噪声特性又有低1/f转折频率的放大器。最简单的办法是查看数据手册上的0.1 Hz到10 Hz噪声规格,它相当于以10 Hz带宽记录测量结果10秒。

运算放大器AD797曾被用于人类首次探测引力波的LIGO实验。AD797在0.1 Hz到10 Hz范围的噪声规格为50 nV p-p (8 nV rms)。最低噪声仪表放大器AD8428只有40 nV p-p (7 nV rms)。这些放大器采用双极性工艺制造,如果配合较大源电阻(包括增益电阻)使用,其电流噪声可能相当大,而且电流噪声也有1/f转折频率!另外别忘了,电阻本身可能产生与电流相关的过量噪声,这是由其构造决定的。金属箔和线绕电阻的噪声系数往往是最低的。

避开1/f噪声的一个巧妙方法是将信号调制到没有1/f噪声的区域,然后进行解调。这一招被称为"斩波稳定",已使用数十年,它把1/f噪声移动到其他频段,以便能够将其轻松滤除。诸如 ADA4528-1 和 ADA4522-1之类的零漂移运算放大器利用这种技术(及其他方式),获得了大约100 nV p-p (16 nV rms)的0.1 Hz至10 Hz噪声,其中大部分是由白噪声引起的。一个更简单的办法是并联多个放大器以达到更低的噪声水平,因为这相当于对多个不相关的噪声源求均值。

基本要旨是可以利用现成器件检测到比10 nV低一点的信号;如果并联多个放大器,检测精度可接近1 nV水平。要检测比这还小的信号,必须采用特殊技术(成本可能非常高)。但不管怎么做,1/f都会以某种方式重新出现。

要是长时间记录多个测量结果,情况会怎样?1/f噪声是否会让这成为不可能完成的任务?这么说吧:即使从宇宙大爆炸那一刻起开始记录AD797噪声,一直到大家读到这篇文章时为止ii,其结果也只比最近10秒测得的结果大3倍iii。因此,我可不会为此而失眠。

来源:ADI校园计划

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