对静噪的探索—线性稳压器具高噪声和电源抑制

　　在很多电路应用中，无噪声、良好稳定的电源对于实现最佳性能是很重要。压控振荡器 （VCO） 和精确的压控晶体振荡器 （VCXO） 会迅速响应电源的微小变化。锁相环 （PLL） 需要稳定的电源，因为电源上的信号会直接转变成输出的相位噪声。RF 放大器需要无噪声电源，因为这类放大器缺乏抑制电源变化的能力，而且稳压器变化将以不想要的边带信号形式出现，降低了信噪比。低噪声放大器和模数转换器 （ADC） 不具备无限大的电源抑制能力，稳压器输出越干净，性能就越高。上面仅列举了几种需要线性稳压器提供无噪声电源轨的例子，那么怎样才能确保稳压器按规定运行呢？

　　电源一旦搭建完毕就可以确定，对于其应用而言，电源是否具有足够低的噪声。振荡器的相位噪声可以测量，然后，相对于用一个已知和性能良好的电源实现之结果，对测量结果进行比较。还要检查 ADC，以确保得到最多位数。这些测量工作比较难，需要耗费大量时间，如果可不进行费用高昂的试验就可确保噪声足够低，那会更好。

　　除了噪声，还必须考虑线性稳压器的电源抑制能力。线性稳压器电源抑制能力不佳会给开关稳压器留下剩余信号或带来其他不想要的信号，从而破坏为确保拥有干净的电源所付出的艰苦努力。如果电源抑制能力不佳，留下了足够淹没噪声的信号，那么稳压器的噪声即使极低，也是没有价值的。

　　测量输出电压噪声

　　静噪不是新鲜事

　　噪声问题很早以前就开始提及了。2000 年 3 月凌力尔特发布了《应用指南 83》（ApplicaTIon Note 83），题为 "低压差稳压器的低噪声性能验证" （Performance VerificaTIon of Low Noise， Low Dropout Regulators），文中详细叙述了一种测量方法，可以有把握地测量低至 4μVRMS 的稳压器输出电压噪声。该应用指南中所用的放大器电路和滤波器在 10Hz 至 100kHz 带宽时提供 60dB 增益。这是一个良好的起点，可以有把握地测量噪声水平。

　　诸如 LT3042 等最新线性稳压器现已投产，其输出电压噪声低得多。在《应用指南 83》发布前后推出的该系列稳压器在 10Hz 至 100kHz 频带上的噪声约为 20μVRMS，而现在 LT3042 在相同频带上的噪声低至 0.8μVRMS。回顾《应用指南 83》中的电路可以看出，输入参考噪声层为 0.5μVRMS，当测量低至 4μVRMS 的噪声时，误差低于 1%。在输出噪声为 0.8μVRMS 的现在，这样的噪声层就不可接受了，因为稳压器本身的工作噪声仅略高于测量电路。这相当于几乎高达 20% 的误差，从而使测量电路成为过于重要的因素，以至于不能有把握地测量信号。

　　测量低于 1μVRMS 的噪声不是一项微不足道的任务。在 10Hz 至 100kHz 测量频带上逆推，这相当于 3.16nV/√Hz 噪声频谱密度 （假定噪声为白噪声）。这就相当于 625Ω 电阻器产生的热噪声。以 5% 的误差测量这么大的噪声，要求仪器有一个 1nV/√Hz 的输入参考噪声，而 1% 内的误差测量则要求 450pV/√Hz 的输入参考噪声。

　　进行什么样的测量？

　　我们现在对仪器要求的噪声层已有所了解，但是还有一个问题，即关键频率范围以及用什么仪器测量所产生的噪声。为了测量噪声频谱密度，可以简单地通过低噪声增益级馈送稳压器输出，然后再馈送到频谱分析仪中，从而将不想要的频率从测量中隔离出去。如果想测量峰至峰值或 RMS 噪声，那么在低噪声增益级上要确保带阻，以确保仅测量在想要的带宽内的信号。

　　常用的宽带噪声测量频率范围为 10Hz 至 100kHz。这个范围包括音频频带，可确保通过 RF 传送的基带数据产生最小的边带信号。锁相环中使用的低噪声稳压器和高准确度仪表要求在较高的频率上进行测量 （高达 1MHz 及以上），因此我们不应该将自己限制到仅 100kHz 范围。理想情况下，带阻会在想要的频率上实现绝对的砖墙式滤波，但电路设计的现实使我们无法实现这样的效果。选择较高阶的巴特沃斯 （Butterworth） 滤波器， 以保持所关注频率范围内的最大平坦度及其提供更好砖墙式近似的能力。滤波器的阶数由其等效噪声带宽 （ENB） 引入的误差决定：二阶低通巴特沃斯滤波器的 ENB 为 1.11fH，所产生的误差太大。4 阶滤波器的 ENB 降至 1.026fH，所产生的误差约为 1.3%。更高阶的滤波器会增加不必要的复杂性和成本，所带来的性能改进却很小。4 阶滤波器的误差加上输入参考噪声所引入的误差，若要以 5% 内的误差进行测量，则要求来自放大器的输入参考噪声之最大误差不超过 1%。

电路增益也必须考虑。如果增益太低，测量仪器的噪声会加进来，像放大器的输入噪声一样