线性稳压器具 2nV/√Hz 噪声和 120dB 电源抑制-对静噪的探索（一）

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 20µV_RMS，而现在 LT3042 在相同频带上的噪声低至 0.8µV_RMS。回顾《应用指南 83》中的电路可以看出，输入参考噪声层为 0.5µV_RMS，当测量低至 4µV_RMS 的噪声时，误差低于 1%。在输出噪声为 0.8µV_RMS 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 1µV_RMS 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¹ 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 1.11f_H，所产生的误差太大。4 阶滤波器的 ENB 降至 1.026f_H，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，损害测量结果的准确性。同时，仪器也许不够灵敏，无法提供可靠的测量结果。就 RMS 噪声测量而言，HP3400A RMS 电压表的底部范围为 1mV，因此 60dB 是绝对最低增益。基于目前可获得的商用频谱分析仪 (而且可从二手市场获得) 之噪声层数据，人们决定 80dB 时会有最佳的工作表现。

稳压器测量时须考虑的因素

噪声测量电路的方框图如图 1 所示。首先是 DC 隔离构件，接下来是超低噪声增益级以 A_V = 25 将输入放大。然后是一个 5Hz 的单阶高通滤波器至另一个 A_V = 20 的增益构件。接下来是一个 10Hz 二阶 Sallen-Key 滤波器和最后的 A_V = 20 之增益级，到此净增益达到了 1 万倍或 80dB。再后面是 3 个可选输出之一，选择哪一个取决于想要的高端频率。3 个可选输出或其频率范围分别是 1MHz 限制、前述的 100kHz 带阻、以及达到所用增益级极限的 (在 3MHz 測量到 -3dB 频率) 宽带输出。每种输出之后都是最后的 5Hz 高通滤波器，以隔离任何残留 DC 信号。

图 1：面向噪声测试的滤波器和增益选择。巴特沃斯滤波器提供合适的频率响应。

实际电路如图 2 所示。这里 DC 隔离是用 680µF 电容器和紧随其后的 499Ω电阻器组成。电容和电阻值的选择是该电路须做出的主要权衡之一。电阻器的值必须足够低，以便其后一级的基极电流不会引起极大的 DC 误差。不过，如果所选电阻值太低，该滤波器所需电容就会变得极之大。对所测试的稳压器而言，低电阻值还有可能使该滤波器成为频率补偿的组成部分，从而改变所测得的结果。电流值构成了 0.5Hz 高通滤波器。

图 2：图 1 所示方框图的实际电路。并联的各级每个都配备了低噪声三极管差分电路，以降低噪声，同时提高增益。

第一个增益级的架构至关重要。这一级必须提供固定增益，同时在極低的輸