对静噪的探索—线性稳压器具高噪声和电源抑制

选择正确的组件都很重要，但是谈到超低噪声测量时，选择正确的组件甚至会更关键。噪声放大器中最关键的点是输入级，一旦确定了这第一级，很多困难也就变小了。用来直接在输入端实现 DC 隔离的 RC 滤波器必须仔细考虑。

　　电阻器的选择没有很多争议，与薄膜电阻器相比，金属薄膜电阻器用来确保低 1/f 噪声。电容器则完全是另一回事，必须仔细考虑。在《应用指南 124》（ApplicaTIon Note 124） 中，使用了一种昂贵的液钽电容器，以提供很低的 1/f 噪声，这种电容器是手工挑选的，以选出低泄漏器件。在以低至 0.1Hz 频率工作时，这些特性更加重要。针对宽带噪声采用 10Hz 低频带阻时，较低价格的电容器可以提供可接受的性能。大型多层陶瓷电容器是一种糟糕的选择，因为它们本质上是一种压电器件，任何机械振动会把信号注入到电路中，迅速地超过所测噪声水平。此外，电压系数基于稳压器输出电压引起拐角频率变化，这个特性是不想要的。钽和铝电解质电容器价格不贵，也没有电压系数或机械敏感性问题。以前会考虑聚对苯二甲酸薄膜电容器等更加昂贵的电容器，但是低可用性、高成本和缺乏性能改进使这类电容器被排除在外了。

　　即使采用那些可能的选择，电容器也确实显示出必须仔细考虑的噪声特性。大型多层陶瓷电容器能够以低噪声工作，但是已经被排除在外，因为它们对机械振动敏感。钽和铝电解质电容器产生较高的噪声 （见参考资料中 Sikula 等撰写的文章，以了解进一步的信息）。最后选择了标准钽电容器，因为这类电容器价格合理、偏置电压特性良好而且对物理振动不起反应。多个电容器并联可获得所需电压额定值和净电容，同时还可降低这些电容器导致的噪声。

　　出于类似原因，第一个增益级构件和第二个增益级构件之间的隔离 / 滤波也选择用钽电容器实现。尽管使用钽电容器后，第一级的增益会导致噪声被放大，但是人们发现，陶瓷电容器的压电响应产生的信号超出了可接受水平。

　　几乎任何类型的电容器都适合最后的输出隔离 / 滤波网络，这里选择了陶瓷电容器。被放大并与电容器压电响应有关的噪声现在足够大，缺少 DC 偏移意味着电容器接近其预期值。第一增益级中的补偿电容器以及巴特沃斯滤波器中使用的电容器是 C0G、NPO 或聚对苯二甲酸电容器，因为这类电容器的电介质没有或有很小的压电效应或 DC 偏置漂移。

　　怎样给电路本身供电是最后一个重要决定。人们选择用碱性电池作电源，这样就可为所有级提供噪声最小的电源，并防止设备中可能存在的地环路导致测量结果不准确。我们必须记住，这里采用的所有电路都不具备无限大的电源抑制能力，电源上的任何噪声都可以到达输出，并有可能影响测量结果。在选择用任何基于电网的电源供电时，要仔细考虑这些因素。

　　实际的电路限制

　　放大器有一些实际限制是不能忽视的。如果电路提供 80dB 增益，那么输入端的 100μVP-P 信号在输出端将变成 1VP-P。用 ±4.5V 电源供电决定了输出信号幅度低于 ±3.5V。因此，输入不能接受总幅度超过 ±350μV 的信号，否则信号保真度就无法保证。就高斯 （Gaussian） 噪声而言，预计最差情况的波峰因数为 10，那么用这个电路可测得的最大值仅为 70μVRMS。

　　从这里看出，确保钽电容器正确偏置也很重要。就输入隔离电容器而言，三极管几乎在地电位上工作，因此正输出电压稳压器要求将电容器的正极连至稳压器输出。相反，测量负的输出电压时，电容器要反过来连接。就第一级和第二级之间的 DC 隔离和滤波而言，电容器的负端应该连至第一级。三极管的基极电流通过 499Ω 电阻器将其基极电压拉至略负，这个略负的电压通过第一级的 25 倍增益进一步放大，因此要求电容器这样取向。

　　校准、验证和测量

　　一旦电路搭建完成，就需要验证增益和输入参考噪声。为了校准增益，用 60dB 衰减把来自函数发生器的信号降至能够避免放大器输出以轨电压运行的水平。在 1kHz 中频段频率时，100mVP-P 从函数发生器进入衰减器，调整最后的增益级中的电位器，以在输出端提供 1VP-P。在 10Hz 至 1MHz 范围来回调节频率，以验证增益在想要的带宽内是平坦的。

　　增益和频率响应的验证是用网络分析仪进行的。基准信号通过 60dB 衰减器馈送给放大器输入。3 个独立的输出作为测试点连接，并扫过整个频率范围。图 3 显示 3 个输出中每一个的增益随频率的变化，突出显示了卓越的平坦度和恰当的拐角频率。

　　图 3：图 1 电路的增益。滤波器响应显示，在想要的拐角频率处有陡峭的滚降。

为了验证