对静噪的探索—线性稳压器具高噪声和电源抑制
输入参考噪声,将放大器输入短接至地,测量输出端的噪声。测量直接用 RMS 电压表或示波器进行。噪声频谱密度用频谱分析仪观看。所测得的宽带输出噪声频谱密度 (如图 4 所示) 有 1/f 噪声,拐角频率为 200Hz,在 200Hz 至 1MHz 范围内呈现 5μV/√Hz 白噪声特性。用 80dB 增益除以这个噪声数值,得出输入参考噪声是 500pV/√Hz,略高于目标值。即使有 1/f 分量,这一数值也相当于在 10Hz 至 100kHz 带宽内有 0.15μVRMS,这个数值足够低,可以有把握地在相同的带宽上测量 1μVRMS。测量结果与示波器上测得的峰至峰值噪声有良好的相关性,如图 5 所示。
图 4:输入短接至地时放大器的噪声频谱密度显示出有 1/f 分量。除以 80dB 电路增益,就可产生输入参考噪声。
图 5:输入短接至地时的峰至峰值放大器噪声 (100kHz 范围) 与噪声频谱密度相关。
测量仍然不是一项简单的任务
在这个电路的设计和测试期间,出现了几种不太明显的影响,这显示出测量超低噪声的难度。将输入短接至地并将输出连至示波器,揭示出很多用 RMS 电压表或频谱分析仪看不到的信息。用陶瓷电容器进行输入滤波和第二级滤波时,只用手指敲击实验台就会产生很大的信号摆幅,从而显示出陶瓷电容器的压电特性。这使得人们转而采用固钽电容器。
还有一种明显的影响是,待测噪声如此之小,以至于需要不同寻常的测量方法,以确保得到可靠的测量结果。将放大器电路板放在型号较旧的示波器前面,就会显示规则的 20kHz 信号 (就像示波器内有一个开关稳压器),该信号的幅度大于输入参考噪声。靠近实验台上的万用表放置放大器电路板,就会产生一个很大的 60Hz 信号。图 6 显示,当放大器放置在加电示波器前面几英寸的地方时,放大器是多么灵敏。在上述两种情况下,将电路板从设备附近拿开,或者改变电路板的朝向,都会改变信号幅度,而关断设备则会消除信号。在铅笔末端缠绕几个导线回路,将这连至函数发生器,以在不同频率时作为小型天线使用。不出所料,电路板上的某些区域有一些电路回路与实验台设备中的电感器和变压器发生了磁耦合。为此进行了一些布局改进,以帮助最大限度减少回路,不过显而易见的是,需要外部屏蔽。
图 6:输入短接至地和靠近示波器时,所显示的信号突出表明放大器电路板对磁场的灵敏度。
屏蔽盒结构
图 7 和图 8 显示了用来放置噪声放大器电路板的屏蔽盒之内部结构。放大器电路板与 6 节 D 号碱性电池一起放置在屏蔽盒内,该屏蔽盒是用 0.050" 厚的 Mu Metal 做成的,以针对低频磁场提供良好的屏蔽效果。然后,将这屏蔽盒放入一个由 2 盎司覆铜板做成的盒子中,两个盒子之间留出 1/2’’ 空隙,之所以选择覆铜板,是要针对较高频率提供良好的屏蔽效果。最后,将这两个盒子放入一个不锈钢盒 (一个再利用的饼干盒) 中,以针对磁场提供一定程度的初始屏蔽,盒间依然留出 1/2’’ 空隙。各个盒之间的 1/2’’ 空气隙帮助衰减磁场。附录 A "用于磁场屏蔽的材料"一文探讨了对低频磁场屏蔽有用的材料。
图 7:屏蔽盒结构 (不锈钢盒内套铜板盒再内套 Mu Metal 盒) 以衰减磁场。
图 8:详细的屏蔽盒结构。请注意,仅输入同轴缆屏蔽层连至金属屏蔽盒,以防止产生地回路。
关于屏蔽盒的构造,需要提及几个重要的方面。内部放大器电路板用同轴电缆将信号从电路板送出来,送到输入和输出 BNC 连接器。不过,必须注意同轴缆屏蔽层的连接。仅输入屏蔽层连至电路板的地平面和最外层的不锈钢盒。输入和输出 BNC 屏蔽层都连至不锈钢盒,同时输入和输出端的同轴缆屏蔽层都连至电路板地。如果输出屏蔽层也连至不锈钢盒,那么就会形成一个地回路,这可能会增强杂散磁场。每一层屏蔽盒都通过金属螺钉和支架与其外面一层屏蔽盒实现电气连接,放大器电路板用阻焊层隔离。这样一来,无需在内部连至放大器电路板的地平面,就可以实现屏蔽盒之间的连接,这样就不会产生可能的回路。最后,不锈钢本身可以增大衰减:不锈钢盒体与盒盖的内外边缘经过打磨,以清除装饰漆和保护层,确保盒体与盒盖之间有良好的电气接触。
值得一提的是,即使所有联注放在屏蔽电路上,但是电压频率场依然足够强以直接影响噪声曲线,如图 4 所示。幸运的是,屏蔽足够有效,能够最大限度减小这些场产生的信号。即便如此,在进行测量时,人们还是应该充分意识到与电路相互影响的各种场的潜力。
测量稳压器输出噪声
一旦放大器检查和校准完毕,就进行
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