測(cè)量線性穩(wěn)壓器上的2nV/√Hz噪聲和120dB電源抑制

Todd Owen和Amit Patel

安靜、穩(wěn)壓良好的電源對(duì)于許多電路應(yīng)用的最佳性能非常重要。壓控振蕩器 （VCO） 和精密壓控晶體振蕩器 （VCXO） 可以非?？焖俚仨憫?yīng)其電源的微小變化。鎖相環(huán)（PLL）需要穩(wěn)定的電源，因?yàn)殡娫瓷系?a target="_blank">信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為輸出中的相位噪聲。RF放大器需要安靜的電源，因?yàn)樗鼈儙缀鯖](méi)有能力抑制電源變化，穩(wěn)壓器變化將顯示為不需要的邊帶并降低信噪比。低噪聲放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）沒(méi)有無(wú)限的電源抑制，穩(wěn)壓器輸出越干凈，其性能就越高。這些只是需要線性穩(wěn)壓器提供安靜電源軌的少數(shù)應(yīng)用，但如何確保穩(wěn)壓器的性能如宣傳的那樣？

完全構(gòu)建后，可以確定所使用的電源是否具有足夠低的噪聲，適合應(yīng)用。測(cè)量振蕩器相位噪聲，并將其與使用已知良好的電源獲得的結(jié)果進(jìn)行比較，檢查ADC以確保它們獲得最大位數(shù)。這些是棘手且耗時(shí)的測(cè)量，最好確保噪聲水平足夠低以滿足您的需求，而無(wú)需進(jìn)行昂貴的試驗(yàn)。

除了噪聲之外，還必須考慮線性穩(wěn)壓器的電源抑制能力。線性穩(wěn)壓器的抑制不良會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器殘留物或其他不需要的信號(hào)通過(guò)，從而破壞為確保清潔電源所做的艱苦工作。如果電源抑制不良導(dǎo)致足夠的信號(hào)通過(guò)淹沒(méi)噪聲水平，則來(lái)自穩(wěn)壓器的極低噪聲毫無(wú)價(jià)值。

測(cè)量輸出電壓噪聲

保持安靜并不是什么新鮮事

噪音的主題以前已經(jīng)提出過(guò)。凌力爾特公司應(yīng)用筆記 83，“低噪聲、低壓差穩(wěn)壓器的性能驗(yàn)證”，于 2000 年 4 月發(fā)布，詳細(xì)介紹了一種測(cè)量低至 <>μV 穩(wěn)壓器輸出電壓噪聲的方法有效值充滿信心。應(yīng)用筆記中的放大器電路和濾波器在60Hz至10kHz帶寬內(nèi)提供了100dB的增益。這是確定噪聲水平測(cè)量置信度的良好起點(diǎn)。LT3042 等新型線性穩(wěn)壓器現(xiàn)已投入生產(chǎn)，輸出電壓噪聲水平低得多。

雖然在應(yīng)用筆記83發(fā)布前后發(fā)布的穩(wěn)壓器系列工作電壓約為20μV有效值10Hz 至 100kHz 頻段內(nèi)的噪聲，LT3042 現(xiàn)在可提供低至 0.8μV 的噪聲水平有效值跨同一頻段?；仡檻?yīng)用筆記83中的電路，可以得到折合到輸入端的0.5μV本底噪聲。有效值，當(dāng)測(cè)量低至 1μV 的噪聲水平時(shí)，誤差小于 4%有效值.輸出噪聲電平為 0.8μV有效值，這種本底噪聲現(xiàn)在是不可接受的;穩(wěn)壓器本身的噪聲水平僅略高于測(cè)量電路。這意味著近20%的誤差，使得測(cè)量電路成為一個(gè)過(guò)于重要的因素，無(wú)法自信地測(cè)量信號(hào)。

測(cè)量小于 1μV有效值噪音不是一件小事。從10Hz到100kHz測(cè)量頻段向后工作，這相當(dāng)于3.16nV/√Hz的噪聲頻譜密度（假設(shè)是白噪聲）。這相當(dāng)于625Ω電阻的約翰遜噪聲！在5%以內(nèi)的這些電平測(cè)量噪聲要求儀器儀表具有1nV/√Hz的輸入?yún)⒖荚肼?測(cè)量1%以內(nèi)的輸入?yún)⒖荚肼暈?50pV/√Hz。

進(jìn)行什么測(cè)量？

我們現(xiàn)在對(duì)儀器所需的本底噪聲有了了解，但有一個(gè)問(wèn)題是，什么頻率范圍是關(guān)鍵的，以及使用什么儀器來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的噪聲。為了測(cè)量噪聲頻譜密度，穩(wěn)壓器輸出可以簡(jiǎn)單地通過(guò)低噪聲增益級(jí)饋送1然后送入頻譜分析儀，從測(cè)量中屏蔽不需要的頻率。如果需要峰峰值或RMS噪聲，則帶停止。

在低噪聲增益級(jí)上保證，以確保僅測(cè)量所需帶寬內(nèi)的信號(hào)。常用的寬帶噪聲測(cè)量頻率范圍為10Hz至100kHz。這包括音頻頻段，并確保通過(guò)RF傳輸?shù)幕鶐?shù)據(jù)的最小邊帶。 鎖相環(huán)和高精度儀器中使用的低噪聲穩(wěn)壓器需要更高的頻率測(cè)量（高達(dá)1MHz及以上），因此我們不應(yīng)將自己限制在100kHz范圍內(nèi)。理想情況下，帶阻是所需頻率的絕對(duì)磚墻濾波器，但電路設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)使我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。選擇高階巴特沃茲濾波器是為了在目標(biāo)頻率范圍內(nèi)保持最大的平坦度，以及它們提供更好的磚墻近似的能力。濾波器的階數(shù)由其等效噪聲帶寬（ENB）引入的誤差決定：二階低通巴特沃茲的ENB為1.11fH，誤差太高。四階濾波器將ENB降至1.026fH，誤差水平約為 1.3%。高階濾波器會(huì)增加不必要的復(fù)雜性和成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)最小的性能改進(jìn)。四階濾波器誤差與折合到輸入端的噪聲引入的誤差耦合，表明在5%以內(nèi)的測(cè)量要求放大器的折合到輸入端的噪聲目標(biāo)為最大誤差不超過(guò)1%。

還必須考慮電路增益。如果增益過(guò)低，測(cè)量器件的噪聲將相加，并且損壞的測(cè)量值與放大器的輸入噪聲相同。同時(shí)，儀器可能不夠靈敏，無(wú)法提供可靠的結(jié)果。對(duì)于 RMS 噪聲測(cè)量，HP3400A RMS 電壓表的底部范圍為 1mV，因此 60dB 是絕對(duì)最小增益。根據(jù)目前市售（可從二級(jí)市場(chǎng)獲得）的頻譜分析儀的本底噪聲，決定80dB效果最好。

穩(wěn)壓器測(cè)量注意事項(xiàng)

噪聲測(cè)量電路的框圖如圖1所示。初始直流阻塞之后是超低噪聲增益級(jí)，以將輸入放大 AV= 25。接下來(lái)是5Hz單階高通到另一個(gè)增益模塊，具有AV= 20。接下來(lái)是10Hz二階Sallen-Key濾波器和A處的最后一級(jí)增益V= 20，使凈增益達(dá)到10，000或80dB。接下來(lái)是三個(gè)可選輸出之一，具體取決于所需的高端頻率;提供1MHz限值、前面討論的100kHz帶阻，以及工作在所用增益級(jí)限值的寬帶輸出（–3dB頻率在3MHz處測(cè)量）。每個(gè)輸出后跟最后一個(gè) 5Hz 高通濾波器，以阻止任何殘余直流。

圖1.用于噪聲測(cè)試的濾波器和增益部分。巴特沃茲部分為頻率范圍提供適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

實(shí)際電路如圖2所示。此處，直流阻斷顯示為一個(gè)680μF電容，后跟一個(gè)499Ω電阻。所選的電容和電阻值是電路中的主要權(quán)衡之一。電阻的值必須足夠低，以便下一級(jí)的基極電流不會(huì)引起明顯的直流誤差。但是，如果選擇的值太低，濾波器中所需的電容就會(huì)變得非常大。低電阻值也可能使濾波器成為被測(cè)穩(wěn)壓器頻率補(bǔ)償?shù)囊徊糠?，從而改變測(cè)量結(jié)果。電流值形成一個(gè)0.5Hz高通濾波器。

圖2.圖 1 的實(shí)現(xiàn)。低噪聲晶體管差分對(duì)，級(jí)并聯(lián)以降低噪聲，同時(shí)提供增益。

第一增益級(jí)的架構(gòu)至關(guān)重要。該級(jí)必須提供固定增益，同時(shí)以極低的折合輸入噪聲工作?；谝压实腏im Williams在AN124“用于低噪聲基準(zhǔn)電壓源的775納伏噪聲測(cè)量”中所做的工作，選擇了驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器輸入的差分晶體管對(duì)，以提供最佳帶寬，同時(shí)仍提供低噪聲。以大約80的增益工作差分對(duì)意味著晶體管的噪聲占主導(dǎo)地位，運(yùn)算放大器噪聲不是重要因素。

超低噪聲放大器第一級(jí)由兩對(duì)并聯(lián)的 THAT300 晶體管組成 （以降低折合到輸入端的噪聲），然后由一個(gè)配置為提供 1818 級(jí)總增益的 LT25 組成。THAT300晶體管在單個(gè)SO-14封裝中提供四個(gè)器件，具有良好的匹配特性（典型值為500μV ?V是）和典型的800pV/√Hz噪聲。LT1818 被選用于高增益帶寬產(chǎn)品。

輸入對(duì)和放大器級(jí)并聯(lián)可在不犧牲增益的情況下提高本底噪聲。眾所周知，放大器電路在并聯(lián)時(shí)顯示電壓噪聲下降，N級(jí)使噪聲降低√N(yùn)。晶體管對(duì)并聯(lián)可將有效噪聲降低回800pV/√Hz。然后，通過(guò)將四個(gè)全輸入級(jí)并聯(lián)在一起，進(jìn)一步降低該噪聲，以實(shí)現(xiàn)2倍至400pV/√Hz的降噪。隨后增加的噪聲源極少，使我們能夠接近所需的450pV/√Hz，精度為1%。

在第一級(jí)之后，330μF電容和100Ω電阻為差分晶體管對(duì)和運(yùn)算放大器固有的任何失調(diào)提供直流阻斷。它們還提供5Hz高通濾波器，有助于創(chuàng)建所需的低頻段阻。所有四個(gè)輸入級(jí)相加為第二級(jí)，增益為20。由于此時(shí)輸入已被放大，運(yùn)算放大器噪聲也是一個(gè)很小的因素。

10Hz二階高通是一個(gè)簡(jiǎn)單的單位增益Sallen-Key濾波器;該濾波器的Q值增加用于幫助偏移單個(gè)5Hz高通級(jí)的頻率響應(yīng)，并為整個(gè)電路提供3Hz的10dB點(diǎn)。同樣，該級(jí)的直流阻斷可防止在前一級(jí)放大的任何失調(diào)受到額外增益的影響。未能在各個(gè)級(jí)之間阻斷直流電可能會(huì)導(dǎo)致放大器驅(qū)動(dòng)到電源軌并使測(cè)量無(wú)效。每級(jí)增益都穿插了一個(gè)濾波器，以防止直流通過(guò)，同時(shí)提供低端帶阻。

最后一級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的反相放大器，具有可調(diào)增益，用于補(bǔ)償元件值的變化。從這里，電路分成三個(gè)輸出級(jí)。最高帶寬直接來(lái)自跟隨器，避免了低通濾波，在全增益下為噪聲吞吐量提供最大3MHz帶寬。第二路輸出具有一個(gè)1MHz四階巴特沃茲低通濾波器，最終輸出具有一個(gè)100kHz四階巴特沃茲低通濾波器。所有三級(jí)均使用一個(gè)5Hz的最終隔直RC濾波器。

組件選擇很重要

為任何電路選擇合適的元件都很重要，但當(dāng)涉及到超低噪聲測(cè)量時(shí)，它就變得更加重要。噪聲放大器中最關(guān)鍵的點(diǎn)是輸入級(jí);一旦你超越了第一階段，許多困難就會(huì)消失。必須仔細(xì)考慮直接在輸入端用于直流阻斷的RC濾波器。

電阻器不是一個(gè)有很多爭(zhēng)論的地方;與薄膜電阻器相比，金屬膜電阻器用于確保低 1/f 噪聲。電容器是另一個(gè)必須審查的問(wèn)題。在AN124中，使用昂貴的濕塞鉭在手工選擇低泄漏后提供低1/f噪聲。當(dāng)工作頻率低至0.1Hz時(shí)，這些特性更為重要。由于寬帶噪聲具有10Hz低頻段阻斷，低成本電容器可提供可接受的性能。大型多層陶瓷電容器是一個(gè)糟糕的選擇，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是壓電的;任何機(jī)械振動(dòng)都會(huì)向電路注入信號(hào)，該信號(hào)會(huì)迅速超過(guò)測(cè)量的噪聲水平。此外，電壓系數(shù)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)折頻率根據(jù)穩(wěn)壓器輸出電壓而變化，這是一個(gè)不希望的特性。鉭和鋁電解電容器成本不高，不顯示電壓系數(shù)或機(jī)械靈敏度?？紤]了更昂貴的電容器，如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜，但可用性低、成本高和缺乏性能提升排除了它們。

即使有這些可能的選擇，電容器也確實(shí)表現(xiàn)出必須考慮的噪聲特性。大型多層陶瓷電容器具有低噪聲工作特性，但由于其機(jī)械振動(dòng)靈敏度已被排除在外。鉭和鋁電解電容器顯示出更高的噪聲水平（參見(jiàn)Sikula等人在參考文獻(xiàn)中進(jìn)一步閱讀）。最終選擇了標(biāo)準(zhǔn)鉭電容器，因?yàn)樗鼈兂杀竞侠?，偏置電壓特性良好，并且?duì)物理振動(dòng)缺乏響應(yīng)。多個(gè)電容器并聯(lián)以獲得所需的額定電壓和凈電容，同時(shí)降低貢獻(xiàn)的噪聲。

出于類似的原因，第一級(jí)增益模塊和第二級(jí)增益模塊之間的阻塞/濾波也被選擇為鉭。盡管第一級(jí)的增益放大了噪聲，但發(fā)現(xiàn)陶瓷產(chǎn)生的壓電響應(yīng)信號(hào)超出了所需水平。

幾乎所有電容器都適用于最終的輸出阻塞/濾波網(wǎng)絡(luò)，因此選擇陶瓷電容器。放大后的噪聲相對(duì)于電容器的壓電響應(yīng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠大了，而沒(méi)有直流偏移意味著電容器接近其預(yù)期值。用于補(bǔ)償?shù)谝辉鲆婕?jí)的電容器以及巴特沃茲濾波器中使用的電容器是C0G、NPO或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，因?yàn)檫@些電介質(zhì)幾乎沒(méi)有壓電效應(yīng)或直流偏置偏移。

為電路本身供電是最后一個(gè)重要決定。選擇堿性電池供電，為所有階段提供最安靜的電源，并防止設(shè)備中可能的接地回路破壞測(cè)量。必須記住，這里使用的所有電路都不具有無(wú)限的電源抑制能力，電源上的任何噪聲都可能傳導(dǎo)到輸出端，并可能影響測(cè)量結(jié)果。在選擇從任何基于線路的電源供電之前，請(qǐng)仔細(xì)考慮這一點(diǎn)。

實(shí)際電路限制

放大器具有不容忽視的實(shí)際局限性。給定電路提供的80dB增益，輸入端的信號(hào)為100μVP-P將顯示為 1VP-P在輸出上。采用 ±4.5V 電源供電，要求輸出信號(hào)的幅度小于 ±3.5V。因此，輸入端的總幅度不能超過(guò)±350μV，或者無(wú)法保證信號(hào)保真度。預(yù)計(jì)高斯噪聲的最差情況波峰因數(shù)為10，僅為70μV有效值最大值可通過(guò)該電路測(cè)量。

從這里開(kāi)始，確保鉭電容器正確偏置也很重要。對(duì)于輸入阻斷電容器，晶體管幾乎在地電位下工作，因此正輸出電壓穩(wěn)壓器要求電容器的正極連接到穩(wěn)壓器輸出。相反，當(dāng)測(cè)量負(fù)輸出電壓時(shí)，電容器是反轉(zhuǎn)的。對(duì)于第一級(jí)和第二級(jí)之間的直流阻斷和濾波，電容器的負(fù)極應(yīng)連接到第一級(jí)。晶體管的基極電流通過(guò)499Ω電阻將其基極拉得略微負(fù)，并且該略微負(fù)的電壓在第一級(jí)通過(guò)25的增益進(jìn)一步放大，需要此方向。

校準(zhǔn)、驗(yàn)證和測(cè)量

電路構(gòu)建完成后，需要驗(yàn)證增益以及折合到輸入端的噪聲。校準(zhǔn)增益，60dB衰減2用于將來(lái)自函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)降低到避免放大器輸出逆電源軌運(yùn)行的電平。帶 100mVP-P在從函數(shù)發(fā)生器到衰減器的1kHz中頻下，最終增益級(jí)的電位計(jì)被調(diào)節(jié)為1VP-P在輸出端。在10Hz至1MHz范圍內(nèi)上下調(diào)整頻率可指示增益在所需帶寬范圍內(nèi)是平坦的。

增益和頻率響應(yīng)的驗(yàn)證由網(wǎng)絡(luò)分析儀完成。參考信號(hào)通過(guò)60dB衰減器饋入放大器的輸入端。三個(gè)獨(dú)立的輸出作為測(cè)試點(diǎn)連接，并跨頻率進(jìn)行掃描。圖3顯示了三個(gè)輸出中每個(gè)輸出的增益與頻率的函數(shù)關(guān)系，突出了出色的平坦度和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)折頻率。

圖3.電路增益如圖1所示。濾波器響應(yīng)顯示，在所需的轉(zhuǎn)折頻率下出現(xiàn)陡峭的滾降。

為了驗(yàn)證折合到輸入端的噪聲，將放大器的輸入短路至地，并測(cè)量輸出端的噪聲。直接使用 RMS 電壓表或示波器進(jìn)行測(cè)量;使用頻譜分析儀觀察噪聲頻譜密度。測(cè)量的寬帶輸出噪聲頻譜密度（如圖4所示）在1Hz時(shí)具有200/f的轉(zhuǎn)折噪聲，在5Hz至200MHz時(shí)具有1μV/√Hz的白噪聲特性。將其除以80dB增益表示折合到輸入端的噪聲為500pV/√Hz，略高于目標(biāo)值。即使使用1/f元件，計(jì)算結(jié)果也為0.15μV有效值在 10Hz 至 100kHz 帶寬范圍內(nèi)，足夠低，允許測(cè)量 1μV有效值在相同的帶寬上充滿信心。測(cè)量結(jié)果與示波器上測(cè)得的峰峰值噪聲密切相關(guān)，如圖5所示。

圖4.輸入短路時(shí)放大器的噪聲頻譜密度顯示1/f分量。除以80dB電路增益可產(chǎn)生折合到輸入端的噪聲。

圖5.輸入短路時(shí)的峰峰值放大器噪聲（100kHz范圍）與噪聲頻譜密度相關(guān)。

測(cè)量仍然不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)

在設(shè)計(jì)和測(cè)試該電路的過(guò)程中出現(xiàn)了一些微妙的影響，展示了測(cè)量超低噪聲水平的難度。將輸入短路接地并將輸出連接到示波器，可以揭示RMS電壓表或頻譜分析儀無(wú)法看到的許多內(nèi)容。當(dāng)使用陶瓷電容器作為輸入濾波器和第二級(jí)濾波時(shí)，信號(hào)偏移很大，通過(guò)簡(jiǎn)單的手指敲擊工作臺(tái)展示了它們的壓電特性。這就為改用固態(tài)鉭電容器提供了理由。

同樣明顯的是，測(cè)量的噪聲水平非常小，需要采取特別措施來(lái)確?？煽康慕Y(jié)果。將放大器板放在較舊的示波器前面，可以顯示一個(gè)常規(guī)的20kHz信號(hào)（可能是示波器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器），其幅度大于折合到輸入端的噪聲。將其放置在臺(tái)式萬(wàn)用表附近會(huì)產(chǎn)生較大的 60Hz 信號(hào)。圖6顯示了放大器放置在有源示波器前方幾英寸處時(shí)的靈敏度。在這兩種情況下，將電路板移離設(shè)備或改變電路板的方向都會(huì)改變信號(hào)的幅度，關(guān)閉設(shè)備會(huì)消除信號(hào)。鉛筆末端的幾圈電線連接到函數(shù)發(fā)生器，作為不同頻率的小型天線運(yùn)行。毫不奇怪，電路板的某些區(qū)域顯示了與臺(tái)式設(shè)備內(nèi)部的電感器和變壓器磁耦合的電路回路。為了幫助減少環(huán)路，進(jìn)行了一些布局改進(jìn)，但很明顯需要外部屏蔽。

圖6.輸入短路且靠近示波器的信號(hào)突出顯示了對(duì)磁場(chǎng)的敏感性。

屏蔽盒結(jié)構(gòu)

圖7和圖8顯示了用于容納噪聲放大器板的屏蔽盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。放大器板與六個(gè) D 電池堿性電池一起裝在一個(gè)由 0.050 英寸厚的 Mu 金屬制成的盒子內(nèi)，以提供良好的低頻磁場(chǎng)屏蔽。然后將其放置在由 1 盎司銅包層制成的盒子內(nèi) 2/2 英寸，選擇以提供對(duì)更高頻率的良好屏蔽。這些最后放置在鋼罐內(nèi) 1/2 英寸（重新利用的餅干罐）3），這提供了一些對(duì)磁場(chǎng)的初始屏蔽。盒子之間的 1/2“ 氣隙有助于衰減磁場(chǎng)。有關(guān)用于低頻磁場(chǎng)屏蔽的材料的討論，請(qǐng)參閱附錄A，磁屏蔽材料。

圖7.屏蔽盒結(jié)構(gòu)使用Mu金屬內(nèi)部銅在鋼錫內(nèi)衰減磁場(chǎng)。

圖8.屏蔽盒結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。注意 只有輸入同軸屏蔽連接到金屬罐，以防止接地回路。

關(guān)于這個(gè)盒子的構(gòu)造，有一些值得注意的事項(xiàng)。內(nèi)部放大器板使用同軸電纜從電路板輸出到輸入和輸出 BNC 連接器。但是，必須注意同軸電纜屏蔽的連接;只有輸入屏蔽連接到電路板的接地層和最外層的鋼罐。輸入和輸出 BNC 屏蔽層連接到鋼罐，而同軸電纜屏蔽層連接到兩側(cè)的電路板接地。如果輸出屏蔽連接也連接到鋼罐，則會(huì)形成一個(gè)可以拾取雜散場(chǎng)的接地回路。屏蔽盒的每一層通過(guò)金屬螺釘和支架與其外部的屏蔽盒電連接，放大器板由阻焊層隔離。它們?cè)诿總€(gè)盒子之間提供連接，而無(wú)需在內(nèi)部連接到放大器板的接地層并創(chuàng)建可能的環(huán)路。最后，鋼罐本身得到了額外的關(guān)注：對(duì)罐子和蓋子的內(nèi)外邊緣進(jìn)行了打磨，以去除裝飾性油漆和透明的保護(hù)層，以確保蓋子和罐子之間的良好電接觸。

值得注意的是，即使所有注意力都集中在屏蔽電路上，線路頻率場(chǎng)也足夠強(qiáng)，足以進(jìn)入圖4所示的噪聲圖。幸運(yùn)的是，屏蔽足以最大限度地減少這些場(chǎng)產(chǎn)生的信號(hào)。即便如此，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，人們應(yīng)該充分意識(shí)到場(chǎng)與該電路相互作用的可能性。

測(cè)量穩(wěn)壓器輸出噪聲

一旦放大器經(jīng)過(guò)檢查和校準(zhǔn)，就會(huì)進(jìn)行實(shí)際的噪聲測(cè)量。要精確測(cè)量線性穩(wěn)壓器輸出噪聲并獲得忠實(shí)的結(jié)果，需要仔細(xì)注意 DUT 屏蔽、元件選擇、布局和電纜管理。圖9顯示了用于測(cè)試線性穩(wěn)壓器的配置，突出顯示了用于避免磁場(chǎng)侵入測(cè)量的結(jié)構(gòu)和屏蔽。在任何給定時(shí)間，只需連接一臺(tái)儀器，以防止接地回路損壞測(cè)量。

圖9.噪聲測(cè)量臺(tái)設(shè)置。屏蔽盒裝有噪聲放大器，線性穩(wěn)壓器的低輸出阻抗消除了屏蔽的必要性，但磁場(chǎng)仍然會(huì)影響輸出。

選擇電池電源為線性穩(wěn)壓器供電的原因與為放大器供電的原因相同;目標(biāo)是測(cè)量線性穩(wěn)壓器的噪聲，而不是表征電源抑制。穩(wěn)壓器不需要屏蔽，因?yàn)榉€(wěn)壓器的低輸出阻抗使其不易受到低頻磁場(chǎng)的影響。從穩(wěn)壓器輸出到噪聲放大器的連接需要是短套管連接器，因?yàn)殚L(zhǎng)柔性電纜會(huì)因摩擦電而引入誤差4影響。

放大器輸出直接饋入示波器以測(cè)量峰峰值噪聲。如圖 10 所示，LT3042 的峰峰值噪聲為 4μVP-P.同一穩(wěn)壓器的頻譜分析儀圖（如圖11所示）顯示了不同SET引腳電容的噪聲。10Hz至100kHz范圍內(nèi)的RMS噪聲與SET引腳電容的函數(shù)關(guān)系如圖12所示。

圖 10.LT3042 噪聲在 10Hz 至 100kHz 帶寬內(nèi)。有效值噪聲測(cè)量值 0.8μV有效值.

圖 11.噪聲頻譜密度圖顯示了增加SET引腳電容對(duì)LT3042的影響。

圖 12.增加SET引腳電容可降低10Hz至100kHz帶寬下的RMS噪聲。

測(cè)量RMS噪聲要求在選擇儀器時(shí)更加挑剔。并非所有 RMS 電壓表都是平等的，請(qǐng)查看 AN83 中的附錄 C，了解和選擇 RMS 電壓表，“低噪聲、低壓差穩(wěn)壓器的性能驗(yàn)證”，了解有關(guān) RMS 電壓表類型及其性能的信息。本附錄列出了許多不同的RMS電壓表，并強(qiáng)調(diào)了一些電壓表如何存在重大誤差，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果比現(xiàn)實(shí)更樂(lè)觀。

測(cè)量穩(wěn)壓器電源抑制

與噪音同樣重要

線性穩(wěn)壓器的電源抑制與輸出電壓噪聲同樣重要。由于電源抑制性能差，即使是噪聲最低的穩(wěn)壓器也會(huì)將信號(hào)傳遞到輸出端，這可能會(huì)淹沒(méi)來(lái)自穩(wěn)壓器的噪聲。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常用作前置穩(wěn)壓器，以提供效率、噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)和輸出阻抗的最佳組合。

大多數(shù)最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率為100kHz至4MHz。即使使用最低的ESR電容器，定義開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的能量傳輸?shù)拿}沖特性也會(huì)在開(kāi)關(guān)頻率處產(chǎn)生輸出電壓紋波。這些信號(hào)會(huì)在噪聲敏感型視頻、通信和其他類型的電路中引起問(wèn)題。101 年 2005 月發(fā)布的凌力爾特應(yīng)用筆記 <>“最大限度地減少線性穩(wěn)壓器輸出中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器殘留”中對(duì)此進(jìn)行了闡述。

最近發(fā)布的線性穩(wěn)壓器有望實(shí)現(xiàn)80dB及以上的電源抑制。LT3042 在某些頻率下接近 120dB 的電源抑制。為了測(cè)試這一點(diǎn)，輸入必須保持在足夠低的幅度，以確保測(cè)試穩(wěn)壓器的小信號(hào)響應(yīng)，而不是大信號(hào)響應(yīng)，盡管必須產(chǎn)生足夠的信號(hào)才能在輸出端具有可測(cè)量的信號(hào)。此外，疊加交流信號(hào)的輸入直流電平不得將穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)到壓差或其他不需要的操作區(qū)域。

驅(qū)動(dòng) DUT

在測(cè)試穩(wěn)壓器抑制時(shí)，必須做的第一件事是提供要抑制的信號(hào)。這比僅將頻率發(fā)生器連接到設(shè)備更復(fù)雜;交流信號(hào)必須位于直流偏移之上，并且能夠提供負(fù)載下所需的電流。

用于此目的的電路由Jim Williams開(kāi)發(fā)，如圖13所示。在該電路中，直流基準(zhǔn)電壓由A2產(chǎn)生，并與A1反相輸入端的交流信號(hào)相加。A1 的輸出驅(qū)動(dòng)與鎮(zhèn)流電阻并聯(lián)的達(dá)林頓連接晶體管，以驅(qū)動(dòng)高達(dá) 5A 的輸出電流。

圖 13.驅(qū)動(dòng)器板將交流和直流電壓相加，以在頻率高達(dá) 10MHz 時(shí)提供幾安培。

將此電路連接到DUT時(shí)，需要注意一個(gè)主要注意事項(xiàng)：不應(yīng)使用穩(wěn)壓器的輸入電容。第一個(gè)原因是該電路未針對(duì)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，并且可能會(huì)振蕩。其次，該電路沒(méi)有吸收電流的能力;必須存在負(fù)載才能對(duì)輸入電容放電，尤其是在頻率增加時(shí)。驅(qū)動(dòng) 50mVP-P10μF 電容器兩端的 1MHz 正弦信號(hào)需要超過(guò) 3A 的充電和放電電流，以防止信號(hào)失真。如果在光輸出電流（低于100mA）下進(jìn)行測(cè)量，請(qǐng)使用預(yù)負(fù)載來(lái)確保呈現(xiàn)給穩(wěn)壓器的信號(hào)保真度。

未雨綢繆

當(dāng)器件的電源抑制率非常高時(shí)，必須仔細(xì)注意儀器儀表的細(xì)節(jié)。如果穩(wěn)壓器提供 100dB 的電源抑制，則為 50mVP-P輸入信號(hào)減小至 0.5μVP-P在輸出端。增加輸入信號(hào)幅度是可能的，但在某些時(shí)候會(huì)發(fā)生從小信號(hào)響應(yīng)到大信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于具有高電源抑制的穩(wěn)壓器，輸出信號(hào)的低幅度等于或小于器件的噪聲幅度。這表明我們應(yīng)該放大信號(hào)，就像我們對(duì)噪聲能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量所做的那樣。即使這樣，輸出信號(hào)通常也會(huì)被噪聲隱藏。幸運(yùn)的是，現(xiàn)代示波器提供了平均功能，允許人們從噪聲中提取信號(hào);隨機(jī)噪聲的平均值為零。輸入信號(hào)提供所需的觸發(fā)器。

無(wú)論信號(hào)是否被放大，在測(cè)量電源抑制時(shí)都會(huì)出現(xiàn)其他可能的問(wèn)題。輸入和輸出信號(hào)必須同時(shí)測(cè)量;需要輸入和輸出幅度才能知道器件的抑制。測(cè)量設(shè)置的框圖如圖14所示。

圖 14.電源抑制測(cè)量框圖顯示了接地環(huán)路。切換到差分至單端放大器可解決接地環(huán)路問(wèn)題。

在框圖中值得注意的是，存在可能破壞測(cè)量的接地回路。第一個(gè)是通過(guò)兩個(gè)示波器通道的公共接地形成的接地環(huán)路。該環(huán)路通過(guò)信號(hào)放大器，接地環(huán)路中的任何信號(hào)都會(huì)破壞電源抑制測(cè)量，從而得到不反映實(shí)際性能的結(jié)果。解決方案是將信號(hào)放大器從單端電路切換到全差分電路。這樣，兩個(gè)回路都會(huì)斷開(kāi)，測(cè)量保真度也會(huì)恢復(fù)。第二個(gè)環(huán)路（圖14中未顯示）通過(guò)交流線接地到達(dá)第一個(gè)示波器通道。該環(huán)路顯示對(duì)誤差的貢獻(xiàn)最小，因?yàn)橄啾戎?，所有信?hào)都很大。

用于差分輸入的簡(jiǎn)單放大器

一個(gè)簡(jiǎn)單的放大器如圖15所示。該放大器在輸入端使用一個(gè)增益為40dB的全差分增益級(jí)，然后使用差分至單端轉(zhuǎn)換器，以提供另外20dB的增益。每個(gè)輸入都有一個(gè)200Hz高通濾波器來(lái)阻斷直流電。選擇 LTC6409 是因?yàn)槠?10GHz 的高增益帶寬產(chǎn)品。第二級(jí)由一個(gè)配置為增益為 1818dB 的差分至單端轉(zhuǎn)換器的 LT20 提供。

圖 15.簡(jiǎn)單差分至單端放大器提供60dB增益。

這種放大器組合的折合輸入噪聲約為1.4nV/√Hz，這意味著我們預(yù)期應(yīng)小于2.2μVP-P的噪音。同時(shí)，我們期望4μVP-P來(lái)自調(diào)節(jié)器本身的噪聲。與 0.5μV 相比P-P我們期望在穩(wěn)壓器輸出端的信號(hào)中，這種噪聲完全淹沒(méi)了我們?cè)噲D測(cè)量的信號(hào)。同樣，節(jié)省的恩典是噪聲的隨機(jī)性，給出平均值為零：使用帶存儲(chǔ)器的現(xiàn)代示波器，平均揭示隱藏在噪聲中的信號(hào)。

改進(jìn)型差分放大器

來(lái)自極高性能線性穩(wěn)壓器的測(cè)量變得更加棘手。輸出信號(hào)增益僅為60dB，0.5μVP-P信號(hào)變?yōu)?.5mVP-P.這個(gè)小幅度正在接近許多帶有 1X 探頭的高端示波器的測(cè)量閾值。將線性穩(wěn)壓器的輸入幅度提高十倍可增加裕量，但如果穩(wěn)壓器電源抑制再增加20dB，則問(wèn)題再次浮出水面。

圖16顯示了更高性能放大器的實(shí)現(xiàn)方式。它基于圖2中的噪聲放大器和圖15中的先前差分至單端放大器?，F(xiàn)在，用于每級(jí)的 LT1818 被 LT1994 差分放大器所取代，這些差分放大器反饋到仍然由 THAT300 晶體管陣列形成的差分晶體管對(duì)。第二級(jí)差分增益來(lái)自另一個(gè)LT1994，然后通過(guò)第一個(gè)LT6232轉(zhuǎn)換為單端測(cè)量。高通濾波器和巴特沃茲濾波器的連續(xù)級(jí)如圖2所示。電路響應(yīng)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證與低噪聲放大器相同。

圖 16.改進(jìn)型放大器提供增益為80dB的差分輸入。

測(cè)量電源抑制的設(shè)置如圖17所示。LT3042 穩(wěn)壓器的實(shí)測(cè)電源抑制如圖 18 所示。值得注意的是，穩(wěn)壓器的電源抑制在120Hz時(shí)接近100dB。在示波器上驗(yàn)證此測(cè)量值需要改進(jìn)的放大器提供80dB的增益。

圖 17.用于測(cè)量電源抑制的設(shè)置。驅(qū)動(dòng)板和 DUT 位于左下角，放大器板位于右下角。未顯示電源和信號(hào)源。

圖 18.LT3042 的電源抑制圖顯示了在接近 70MHz 的頻率下具有 >4dB 的性能。

其他測(cè)量方法

其他方法和設(shè)備可用于進(jìn)行電源抑制測(cè)量。鎖相放大器使用參考信號(hào)在所需頻率下提供同步檢測(cè)，以幫助測(cè)量小信號(hào)電平。

網(wǎng)絡(luò)分析儀還提供一個(gè)振蕩器來(lái)掃描頻率，同時(shí)提供帶通功能來(lái)測(cè)量輸入和輸出幅度并計(jì)算電路的抑制。這些方法提供了有效的結(jié)果，但仍然需要對(duì)電路連接進(jìn)行挑剔并驗(yàn)證結(jié)果。必須檢查示波器上的輸入和輸出信號(hào);信號(hào)幅度和波形將指示被測(cè)穩(wěn)壓器是否被驅(qū)動(dòng)到壓差狀態(tài)，或者小信號(hào)響應(yīng)是否已經(jīng)讓位于大信號(hào)行為。

陷阱

與測(cè)量噪聲類似，在測(cè)量電源抑制時(shí)，也存在可能導(dǎo)致誤入歧途的陷阱。仔細(xì)注意使用星形接地的電路接地非常重要。在測(cè)量電源抑制時(shí)看到的一些影響實(shí)際上似乎違反直覺(jué)。

到目前為止，可靠的設(shè)計(jì)總是在線性穩(wěn)壓器的輸入端包括一些電容，以在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持盡可能低的電源阻抗。當(dāng)器件的電源抑制足夠高時(shí)，這實(shí)際上會(huì)增加輸出端的紋波量。

考慮一個(gè)如圖19所示的電路，其中LT3042對(duì)LT8614靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行后置調(diào)節(jié)。LT8614 可提供大約 20mV 的電壓?P-P在其 500kHz 開(kāi)關(guān)頻率下通過(guò)幾英寸的銅板走線向 LT3042 輸入端的紋波。僅利用 LT22 的 8614μF 輸出電容器，線性穩(wěn)壓器的輸出紋波僅為幾μVP-P.當(dāng)在 LT4 的輸入端增加一個(gè) 7.3042μF 電容器時(shí)，輸出紋波增加到大約 75μVP-P，如圖 20 所示。應(yīng)該注意的是，這些照片的帶寬限制為20MHz，因?yàn)槟繕?biāo)是顯示開(kāi)關(guān)頻率下的紋波，而不是高頻邊沿尖峰。

圖 19.使用 LT3042 對(duì) LT8614 靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓進(jìn)行后置調(diào)節(jié)。

（一）

（二）

圖 20.LT3042 對(duì) LT8614 靜音開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器進(jìn)行后置調(diào)節(jié) （a） 在 LT3042 輸入端沒(méi)有任何電容器，（b） 在 LT4 輸入端采用一個(gè) 7.3042μF 電容器。兩張照片都有帶寬限制，可以忽略高頻尖峰。

增加輸入電容如何降低穩(wěn)壓器的電源抑制？答案不在于LT3042的性能，而在于電路板布局。LT3042 在對(duì)來(lái)自輸入電源的信號(hào)進(jìn)行電抑制方面提供了卓越的能力。到目前為止，拒絕這些信號(hào)的能力是限制因素?，F(xiàn)在，磁場(chǎng)成為罪魁禍?zhǔn)住?/p>

為了更好地理解這一點(diǎn)，圖21中的原理圖用一條綠色實(shí)線突出顯示了DC-DC轉(zhuǎn)換器的交流電流路徑。如果 LT3042 的輸入端存在電容，則交流電流也會(huì)在斷開(kāi)的綠色路徑中流動(dòng)。LT3042 的輸入在相關(guān)頻率處呈現(xiàn)一種高阻抗，因此沒(méi)有 AC 電流流入 LT3042。

圖 21.原理圖突出顯示了DC-DC轉(zhuǎn)換器的交流電流環(huán)路以及易受磁耦合影響的路徑。

交流電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將在附近的其他回路中產(chǎn)生電流，就像變壓器的一個(gè)繞組耦合到其他繞組一樣。圖21中以藍(lán)色和紅色顯示兩個(gè)關(guān)注環(huán)路。由CSET和RSET形成的藍(lán)色環(huán)路在誤差放大器的輸入端產(chǎn)生紋波。利用 LT3042 的單位增益架構(gòu)，該紋波被傳遞到輸出。由輸出電容和阻抗回望穩(wěn)壓器（以及附近的負(fù)載元件）形成的紅色環(huán)路直接在穩(wěn)壓器輸出端產(chǎn)生紋波。

與直覺(jué)相反，從 LT3042 的輸入端移除電容可降低輸出紋波。鑒于這不是信號(hào)的電饋通，而是磁耦合，因此在設(shè)計(jì)電路板時(shí)必須考慮距離、屏蔽和環(huán)路方向。場(chǎng)強(qiáng)與距離和環(huán)路面積有關(guān)，因此最小化環(huán)路面積（不使用輸入電容）和最大化距離（僅使用DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電容）會(huì)限制施加在敏感環(huán)路上的電流。

這表明，早期決定不在信號(hào)驅(qū)動(dòng)器板的輸出或穩(wěn)壓器的輸入上使用電容器是謹(jǐn)慎的。在穩(wěn)壓器的輸入端有一個(gè)電容器，增加一個(gè)環(huán)路，產(chǎn)生耦合到輸出并給出錯(cuò)誤結(jié)果的磁場(chǎng)。穩(wěn)壓器電源拒絕似乎比實(shí)際情況要糟糕得多。

使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)問(wèn)題是，不僅要消除開(kāi)關(guān)頻率紋波，還要消除與開(kāi)關(guān)邊沿相關(guān)的尖峰。某些電路上的開(kāi)關(guān)邊沿在短短幾納秒內(nèi)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為100MHz的頻率成分。這些頻率不能用簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器輕易消除。走線電容和磁耦合等寄生效應(yīng)使降低這些尖峰變得困難。更多信息請(qǐng)參考凌力爾特應(yīng)用筆記101“最大限度減少線性穩(wěn)壓器輸出中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器殘留”和附錄B《控制高頻開(kāi)關(guān)尖峰》。

結(jié)論

線性穩(wěn)壓器（如 LT3042）提供的精確性能為敏感系統(tǒng)提供了異常安靜的電源軌。從這種器件驗(yàn)證直流性能通常不是一個(gè)棘手的提議。在如此高性能的水平下，噪聲和電源抑制等關(guān)鍵參數(shù)并不容易測(cè)量。必須特別注意測(cè)量電路、連接、電路板布局和設(shè)備中的最小細(xì)節(jié)。曾經(jīng)可以忽略的小誤差（與被測(cè)量的信號(hào)相比）現(xiàn)在是一階誤差項(xiàng)。所提供的高PSRR性能表明，信號(hào)不是通過(guò)設(shè)備本身傳輸?shù)?，而是通過(guò)磁耦合傳輸?shù)摹１仨氉屑?xì)檢查每個(gè)細(xì)節(jié)，以確保測(cè)量的保真度并提供值得信賴的可靠結(jié)果。

審核編輯：郭婷