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

入参考噪声工作。在题为 "775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference" (针对低噪声电压基准的 775 毫微伏噪声测量) 的《应用指南 124》(Application Note 124) 中，介绍了已故的 Jim Williams 所做的工作，以此为基础，选择用三极管差分对驱动运算放大器的输入，以提供最佳带宽，同时仍然保持低噪声。以大约 80 倍的增益驱动差分对意味着，这对三极管的噪声起主导作用，而运算放大器的噪声不是非常重要的因素。

超低噪声放大器第一增益级由两对匹配的 THAT300 三极对管并联组成 (以降低输入参考噪声)，接着是 LT1818，该器件配置为使这一级提供 25 倍的总增益。单一 SO-14 封装中包含 4 个 THAT300 三极管，提供良好的匹配特性 (典型值为 500µV ?V_BE) 和 800pV/√Hz 的典型噪声。选择 LT1818 是为了实现高增益-带宽积。

输入三极对管和放大器级并联，可在不牺牲增益的前提下改善噪声层。人们都知道，放大器电路并联时，产生电压噪声压差，N 级并联时使噪声降低为 1/√N。三极对管并联使有效噪声降至 800pV/√Hz。之后，通过并联 4 个完整的输入级，这个噪声会进一步降低，再降低 2 倍，至 400pV/√Hz。后续增加的噪声源很小，从而使我们能够接近 1% 准确度所要求的 450pV/√Hz。

在第一增益级之后，330µF 电容器和 100Ω 电阻器对任何偏移提供 DC 隔离，而偏移是三极管差分对和运算放大器所固有的。这还提供 5Hz 高通滤波器，从而有助于提供想要的低频带阻。所有 4 个输入级合起来构成第二个增益级，增益为 20 倍。这时，输入已经得到了放大，因此运算放大器的噪声再次成为影响很小的因素。

10Hz 二阶高通滤波器是一个简单的单位增益 Sallen-Key 滤波器。提高这个滤波器的 Q 值，以帮助补偿单一 5Hz 高通滤波器级的频率响应，并为整个电路提供一个 10Hz 的 3dB 点。另外，这一级的 DC 隔离防止可能在前一级已经被放大的任何偏移再次被放大。如果不能在不同的级之间隔离 DC 信号，就有可能导致将放大器驱动到其轨电压上，从而使测量结果无效。每个增益级之间都放置了一个滤波器，以防止 DC 信号通过，同时提供低端带阻。

最后一级是一个简单的负输出放大器，具可调增益以补偿组件值的变化。从这里开始，该电路分成了 3 个输出级。最大带宽直接来自一个跟随器，从而避免了低通滤波，并在满增益噪声吞吐量情况下，提供 3MHz 的最大带宽。第二个输出采用了 1MHz 4 阶巴特沃斯低通滤波器，最后一个输出采用 100kHz 4 阶巴特沃斯低通滤波器。所有这 3 个级都使用一个最终在 5Hz 的 DC 隔离 RC 滤波器。

组件选择很重要

对任何电路而言，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