1/f噪声简介
1/f 噪声，也称为闪烁噪声或粉红噪声[1]是一种低频噪声，其强度随频率降低而增加。它出现在半导体、电阻器、传感器甚至自然系统中，并且会限制 ADC、射频电路和振荡器等精密电子设备的性能。与在所有频率下功率均相等的白噪声不同，1/f 噪声在低频下占主导地位，并且更难测量。传统的频谱分析仪和锁相放大器通常用于测量 1/f 噪声，但捕获有意义的数据需要较长的积分时间。测量仪器必须具有极高的动态范围才能捕获微小的变化，同时达到足够低的频率以准确捕获闪烁噪声。许多频谱分析仪的最低频率仅为 kHz 范围，这要求半导体测试工程师开发定制解决方案才能准确表征被测设备的整个频率范围。使用 频谱分析仪 具有高灵敏度、真正的 0 Hz 最小频率和低分辨率带宽，可以消除对昂贵且耗时的定制测量解决方案的需求。
本文将解释什么是 1/f 噪声，它产生的原因，以及它如何影响物理、电子学和信号处理中的测量。我们还将介绍测量 1/f 噪声的最佳方法，并探讨如何更轻松地分析、管理和抑制科研及工程应用中的闪烁噪声。
什么是 1/f 噪声（也称为闪烁噪声）？
1/f 噪声是一种随机噪声，其中 功率谱密度 与频率成反比。这意味着频率越低，噪声贡献越强。[2]
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- 闪烁噪声
- 1-over-f 噪声
- 粉红噪音
这种噪声不同于白噪声，白噪声在所有频率上具有相同的功率，而热噪声主要由温度决定。
什么原因导致 1/f 噪声？
半导体 1/f 噪声
在MOSFET和BJT等半导体器件中，闪烁噪声源于氧化物半导体界面附近缺陷处的电荷捕获和释放，或载流子迁移率的波动。这使得闪烁噪声在低频下尤其成问题，因为低频下的闪烁噪声可能比热噪声更占主导地位。
对于常见的集成电路 (IC)，如运算放大器 (op-amps) 和数据转换器，这会限制性能并引入不需要的信号杂质。
1/f噪声对运算放大器的影响：[3]
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- 由于 1/f 噪声在低频时最为明显，运算放大器的输入级通常会设定整个设备的本底噪声。
- 闪烁噪声会导致低频漂移和偏移不稳定。
1/f噪声对数据转换器（ADC/DAC）的影响：[4]
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- 在模数转换器 (ADC) 中，闪烁噪声限制了低输入频率下的有效位数 (ENOB)，导致小信号被淹没在噪声基底中。
- 在数模转换器（DAC）中，闪烁噪声会引入频谱杂质并降低线性度。
- 对于 ADC 和 DAC 来说，1/f 噪声会降低系统的时间精度。
这些影响就是为什么许多数据表为精密 IC 指定 1/f 转角频率的原因，这使其成为理解和有效测量的关键规格。
1/f 噪声如何影响测量？
闪烁噪声会掩盖微弱信号，限制仪器的分辨率。由于闪烁噪声在低频下会增强，因此尤其会影响长期稳定性测量以及信号随时间缓慢变化的实验。
对于研究人员和工程师来说，这意味着设计实验和选择能够检测关键 DUT 信号而不受闪烁噪声严重影响的仪器。
物理学中的 1/f 噪声
在物理实验中，1/f 噪声限制了探测器的灵敏度 测量微弱信号例如光学装置中的光电二极管或量子研究中的超导器件。闪烁噪声也可能出现在时域稳定性研究中，这使得分离真实的物理效应变得更加困难。这会影响精密时间标准，例如石英振荡器、原子钟和超导腔谐振器。使用诸如 艾伦方差 可以帮助了解不稳定的根源。[5] 使用零死区时间、无间隙事件检测器，如 时间间隔与频率分析仪 or 相位表 与记录数据并在后处理中构建所有分析相比，实时测量稳定性可以加快测试吞吐量。
电子产品中的 1/f 噪声
在电子领域，1/f 噪声是放大器、传感器和 ADC 低频噪声的主要来源。精密模拟电路、射频前端和 MEMS 器件尤其容易受到影响。工程师通常需要选择专门针对低闪烁噪声设计的元件。
信号处理中的1/f噪声
在对信号进行数字化和分析时，闪烁噪声会使结果失真，使微弱信号变得模糊，并使滤波要求复杂化。了解测量系统的本底噪声，并确定其中有多少是由1/f贡献引起的，对于获得准确的结果至关重要。
频谱分析仪中的 1/f 噪声
频谱分析仪通常用于观察不同频率的噪声。然而，在极低频率下，其内部噪声可能占主导地位，因此很难区分仪器的本底噪声和被测设备的实际 1/f 噪声。寻找低频低噪声频谱分析仪可能既困难又昂贵。
锁相放大器中的 1/f 噪声
锁定放大器旨在从噪声环境中提取微弱信号，但闪烁噪声会使几百MHz以下的低频测量变得复杂。由于锁定放大器工作在参考频率，该频率附近的1/f噪声会直接降低灵敏度。
如何减轻测试仪器中的 1/f 噪声
为了降低低频下 1/f 噪声的影响，Moku:Pro 和 Moku:Delta 在每个输入通道上均配备了两组 ADC。其中一个 ADC 针对低速、低噪声测量进行了优化。另一个 ADC 则针对高速和高性能进行了优化，确保用户在低频下无需牺牲带宽或精度。两个 ADC 的信号同时采集， 混合构建最佳测量信号.
研究精密电子、射频系统或基础物理学的研究人员可以使用 Moku:Delta 得益于双 ADC 采样，能够高效可靠地表征 1/f 噪声。Moku:Delta 内置 15 种仪器，可独立部署或作为系统部署，您可以使用频谱分析仪、锁相放大器、示波器或数据记录器来测量并记录测量结果。
准确测量 1/f 噪声的另一个关键策略是使用频谱分析仪的低分辨率带宽和低最小频率。Moku:Delta 和 Moku:Pro 频谱分析仪可以观测低至 0 Hz 的信号，这对于低频噪声表征至关重要。这些频谱分析仪还允许用户将分辨率带宽设置为低至 1 Hz，从而让您能够准确捕获 1/f 噪声，而不会受到宽带噪声对结果的影响。更宽的分辨率带宽会集成更多的噪声功率，而较低的分辨率带宽会在每个分辨率区间收集更少的噪声功率，从而导致显示的本底噪声更低。通过将分辨率带宽降低到 1 Hz，可以更轻松地将真正的 1/f 特性与其他噪声源区分开来。虽然 1/f 噪声是被测设备和测量系统固有的，但优化测量设置以准确测量闪烁噪声可以更深入地了解被测设备的真实性能。
常见问题解答
问：1/f 噪声与闪烁噪声相同吗？
答：是的，这两个术语描述的是同一件事：低频噪声，其频谱随着频率的增加而减小。
问：1/f 噪声与白噪声有何不同？
答：白噪声在各个频率下的功率都是恒定的，而 1/f 噪声在较低频率下会以大约 3 dB/十倍频程的速率增强。
问：闪烁噪声发生在哪里？
答：在半导体、电阻器、传感器中，甚至在电子器件之外的自然系统中。
问：如何测量 1/f 噪声？
答：频谱分析仪和锁定放大器是常用工具。像 Moku:Delta 这样的现代平台将它们整合到一个设备中，从而提高了测量效率。
案例
[1] “粉红噪音”，维基百科，07 年 2020 月 XNUMX 日。https://en.wikipedia.org/wiki/Pink_noise
[2] “理解和消除 1/f 噪声 | ADI 公司，”Analog.com，2024 年。https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/understanding-and-eliminating-1-f-noise.html
[3] “MT-048教程：运算放大器噪声关系：1/f噪声、RMS噪声和等效噪声带宽。” 网址：https://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-048.pdf
[4] “精密ADC噪声分析基础”。访问日期：04年2025月192日。[在线]。网址：https://www.ti.com/lit/eb/slyy192a/slyy1757009681439a.pdf?ts=XNUMX
[5] RF Voss，“1/f（闪烁）噪声：简要回顾”，第33届频率控制年度研讨会，美国新泽西州大西洋城，1979年，第40-46页，doi：10.1109/FREQ.1979.200297。