線性穩(wěn)壓器具 2nV/√Hz 噪聲和 120dB 電源抑制
穩(wěn)壓器測量時須考慮的因素
噪聲測量電路的方框圖如圖 1 所示。首先是 DC 隔離構(gòu)件，接下來是超低噪聲增益級以 AV = 25 將輸入放大。然后是一個 5Hz 的單階高通濾波器至另一個 AV = 20 的增益構(gòu)件。接下來是一個 10Hz 二階 Sallen-Key 濾波器和最后的 AV = 20 之增益級，到此凈增益達到了 1 萬倍或 80dB。再后面是 3 個可選輸出之一，選擇哪一個取決于想要的高端頻率。3 個可選輸出或其頻率范圍分別是 1MHz 限制、前述的 100kHz 帶阻、以及達到所用增益級極限的 (在 3MHz 測量到 -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。
圖 1：面向噪聲測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，以便其后一級的基極電流不會引起極大的 DC 誤差。不過，如果所選電阻值太低，該濾波器所需電容就會變得極之大。對所測試的穩(wěn)壓器而言，低電阻值還有可能使該濾波器成為頻率補償?shù)慕M成部分，從而改變所測得的結(jié)果。電流值構(gòu)成了 0.5Hz 高通濾波器。
圖 2：圖 1 所示方框圖的實際電路。并聯(lián)的各級每個都配備了低噪聲三極管差分電路，以降低噪聲，同時提高增益。
第一個增益級的架構(gòu)至關(guān)重要。這一級必須提供固定增益，同時在極低的輸入?yún)⒖荚肼暪ぷ�。在題為 “775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference” (針對低噪聲電壓基準的 775 毫微伏噪聲測量) 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驅(qū)動運算放大器的輸入，以提供最佳帶寬，同時仍然保持低噪聲。以大約 80 倍的增益驅(qū)動差分對意味著，這對三極管的噪聲起主導(dǎo)作用，而運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由兩對匹配的 THAT300 三極對管并聯(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提供 25 倍的總增益。單一 SO-14 封裝中包含 4 個 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 是為了實現(xiàn)高增益-帶寬積。
輸入三極對管和放大器級并聯(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，產(chǎn)生電壓噪聲壓差，N 級并聯(lián)時使噪聲降低為 1/√N。三極對管并聯(lián)使有效噪聲降至 800pV/√Hz。之后，通過并聯(lián) 4 個完整的輸入級，這個噪聲會進一步降低，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% 準確度所要求的 450pV/√Hz。
在第一增益級之后，330µF 電容器和 100Ω 電阻器對任何偏移提供 DC 隔離，而偏移是三極管差分對和運算放大器所固有的。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 個輸入級合起來構(gòu)成第二個增益級，增益為 20 倍。這時，輸入已經(jīng)得到了放大，因此運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簡單的單位增益 Sallen-Key 濾波器。提高這個濾波器的 Q 值，以幫助補償單一 5Hz 高通濾波器級的頻率響應(yīng)，并為整個電路提供一個 10Hz 的 3dB 點。另外，這一級的 DC 隔離防止可能在前一級已經(jīng)被放大的任何偏移再次被放大。如果不能在不同的級之間隔離 DC 信號，就有可能導(dǎo)致將放大器驅(qū)動到其軌電壓上，從而使測量結(jié)果無效。每個增益級之間都放置了一個濾波器，以防止 DC 信號通過，同時提供低端帶阻。
最后一級是一個簡單的負輸出放大器，具可調(diào)增益以補償組件值的變化。從這里開始，該電路分成了 3 個輸出級。最大帶寬直接來自一個跟隨器，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。第二個輸出采用了 1MHz 4 階巴特沃斯低通濾波器，最后一個輸出采用 100kHz 4 階巴特沃斯低通濾波器。所有這 3 個級都使用一個最終在 5Hz 的 DC 隔離 RC 濾波器。
組件選擇很重要
對任何電路而言，選擇正確的組件都很重要，但是談到超低噪聲測量時，選擇正確的組件甚至?xí)P(guān)鍵。噪聲放大器中最關(guān)鍵的點是輸入級，一旦確定了這第一級，很多困難也就變小了。用來直接在輸入端實現(xiàn) DC 隔離的 RC 濾波器必須仔細考慮。
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