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

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 100µV_P-P 信号在输出端将变成 1V_P-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 70µV_RMS。

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² 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，100mV_P-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 1V_P-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 0.15µV_RMS，这个数值足够低，可以有把握地在相同的带宽上测量 1µV_RMS。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，