線性穩(wěn)壓器具 2nV/√Hz 噪聲和 120dB 電源抑制
穩(wěn)壓器測(cè)量時(shí)須考慮的因素
噪聲測(cè)量電路的方框圖如圖 1 所示。首先是 DC 隔離構(gòu)件，接下來(lái)是超低噪聲增益級(jí)以 AV = 25 將輸入放大。然后是一個(gè) 5Hz 的單階高通濾波器至另一個(gè) AV = 20 的增益構(gòu)件。接下來(lái)是一個(gè) 10Hz 二階 Sallen-Key 濾波器和最后的 AV = 20 之增益級(jí)，到此凈增益達(dá)到了 1 萬(wàn)倍或 80dB。再后面是 3 個(gè)可選輸出之一，選擇哪一個(gè)取決于想要的高端頻率。3 個(gè)可選輸出或其頻率范圍分別是 1MHz 限制、前述的 100kHz 帶阻、以及達(dá)到所用增益級(jí)極限的 (在 3MHz 測(cè)量到 -3dB 頻率) 寬帶輸出。每種輸出之后都是最后的 5Hz 高通濾波器，以隔離任何殘留 DC 信號(hào)。
圖 1：面向噪聲測(cè)試的濾波器和增益選擇。巴特沃斯濾波器提供合適的頻率響應(yīng)。
實(shí)際電路如圖 2 所示。這里 DC 隔離是用 680µF 電容器和緊隨其后的 499Ω電阻器組成。電容和電阻值的選擇是該電路須做出的主要權(quán)衡之一。電阻器的值必須足夠低，以便其后一級(jí)的基極電流不會(huì)引起極大的 DC 誤差。不過(guò)，如果所選電阻值太低，該濾波器所需電容就會(huì)變得極之大。對(duì)所測(cè)試的穩(wěn)壓器而言，低電阻值還有可能使該濾波器成為頻率補(bǔ)償?shù)慕M成部分，從而改變所測(cè)得的結(jié)果。電流值構(gòu)成了 0.5Hz 高通濾波器。
圖 2：圖 1 所示方框圖的實(shí)際電路。并聯(lián)的各級(jí)每個(gè)都配備了低噪聲三極管差分電路，以降低噪聲，同時(shí)提高增益。
第一個(gè)增益級(jí)的架構(gòu)至關(guān)重要。這一級(jí)必須提供固定增益，同時(shí)在極低的輸入?yún)⒖荚肼暪ぷ鳌Ｔ陬}為 “775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference” (針對(duì)低噪聲電壓基準(zhǔn)的 775 毫微伏噪聲測(cè)量) 的《應(yīng)用指南 124》(Application Note 124) 中，介紹了已故的 Jim Williams 所做的工作，以此為基礎(chǔ)，選擇用三極管差分對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的輸入，以提供最佳帶寬，同時(shí)仍然保持低噪聲。以大約 80 倍的增益驅(qū)動(dòng)差分對(duì)意味著，這對(duì)三極管的噪聲起主導(dǎo)作用，而運(yùn)算放大器的噪聲不是非常重要的因素。
超低噪聲放大器第一增益級(jí)由兩對(duì)匹配的 THAT300 三極對(duì)管并聯(lián)組成 (以降低輸入?yún)⒖荚肼?，接著是 LT1818，該器件配置為使這一級(jí)提供 25 倍的總增益。單一 SO-14 封裝中包含 4 個(gè) THAT300 三極管，提供良好的匹配特性 (典型值為 500µV ∆VBE) 和 800pV/√Hz 的典型噪聲。選擇 LT1818 是為了實(shí)現(xiàn)高增益-帶寬積。
輸入三極對(duì)管和放大器級(jí)并聯(lián)，可在不犧牲增益的前提下改善噪聲層。人們都知道，放大器電路并聯(lián)時(shí)，產(chǎn)生電壓噪聲壓差，N 級(jí)并聯(lián)時(shí)使噪聲降低為 1/√N。三極對(duì)管并聯(lián)使有效噪聲降至 800pV/√Hz。之后，通過(guò)并聯(lián) 4 個(gè)完整的輸入級(jí)，這個(gè)噪聲會(huì)進(jìn)一步降低，再降低 2 倍，至 400pV/√Hz。后續(xù)增加的噪聲源很小，從而使我們能夠接近 1% 準(zhǔn)確度所要求的 450pV/√Hz。
在第一增益級(jí)之后，330µF 電容器和 100Ω 電阻器對(duì)任何偏移提供 DC 隔離，而偏移是三極管差分對(duì)和運(yùn)算放大器所固有的。這還提供 5Hz 高通濾波器，從而有助于提供想要的低頻帶阻。所有 4 個(gè)輸入級(jí)合起來(lái)構(gòu)成第二個(gè)增益級(jí)，增益為 20 倍。這時(shí)，輸入已經(jīng)得到了放大，因此運(yùn)算放大器的噪聲再次成為影響很小的因素。
10Hz 二階高通濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的單位增益 Sallen-Key 濾波器。提高這個(gè)濾波器的 Q 值，以幫助補(bǔ)償單一 5Hz 高通濾波器級(jí)的頻率響應(yīng)，并為整個(gè)電路提供一個(gè) 10Hz 的 3dB 點(diǎn)。另外，這一級(jí)的 DC 隔離防止可能在前一級(jí)已經(jīng)被放大的任何偏移再次被放大。如果不能在不同的級(jí)之間隔離 DC 信號(hào)，就有可能導(dǎo)致將放大器驅(qū)動(dòng)到其軌電壓上，從而使測(cè)量結(jié)果無(wú)效。每個(gè)增益級(jí)之間都放置了一個(gè)濾波器，以防止 DC 信號(hào)通過(guò)，同時(shí)提供低端帶阻。
最后一級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)輸出放大器，具可調(diào)增益以補(bǔ)償組件值的變化。從這里開(kāi)始，該電路分成了 3 個(gè)輸出級(jí)。最大帶寬直接來(lái)自一個(gè)跟隨器，從而避免了低通濾波，并在滿增益噪聲吞吐量情況下，提供 3MHz 的最大帶寬。第二個(gè)輸出采用了 1MHz 4 階巴特沃斯低通濾波器，最后一個(gè)輸出采用 100kHz 4 階巴特沃斯低通濾波器。所有這 3 個(gè)級(jí)都使用一個(gè)最終在 5Hz 的 DC 隔離 RC 濾波器。
組件選擇很重要
對(duì)任何電路而言，選擇正確的組件都很重要，但是談到超低噪聲測(cè)量時(shí)，選擇正確的組件甚至?xí)P(guān)鍵。噪聲放大器中最關(guān)鍵的點(diǎn)是輸入級(jí)，一旦確定了這第一級(jí)，很多困難也就變小了。用來(lái)直接在輸入端實(shí)現(xiàn) DC 隔離的 RC 濾波器必須仔細(xì)考慮。
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