用簡單、有效的方法和電路測量極低1/f電壓基準噪聲(< 1µVP-P,0...

2020-11-21 電子產品世界

　　引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201703/345140.htm

　　電壓基準的電壓噪聲和溫漂通常決數據採集系統(DA定S)的測量極限。電壓基準的數據資料一般以兩種獨立形式給出噪聲指標：1) 低頻(0.1Hz至10Hz)，µVP-P;2) 寬帶噪聲，給定帶寬(例如，10Hz至1kHz)內的µVRMS;或者電壓噪聲譜密度達到其平坦度指標時對應頻率下的電壓噪聲譜密度，表示為nV/√Hz。

　　通過使用低通濾波可將後者大大降低寬帶噪聲。然而，濾除低頻噪聲非常麻煩且不太可行，因為濾除較低頻率需要較大的電容。

　　由於電壓基準噪聲是隨機信號，所以也影響輸出電壓精度。例如，如果輸出噪聲為1mVP-P，那麼對於3V基準，噪聲轉換為0.033%電壓隨機性，這影響基準的初始精度。本文介紹了一種可測量和降低電壓基準的低頻噪聲簡單、有效的方法。應用實例的目標是得到低於1µVP-P的低頻噪聲(0.1Hz至10Hz)。

　　1電壓基準噪聲的測量

　　測量電壓基準噪聲的標準方法如圖1所示。將電壓基準的輸出連接到高通濾波器，以通過0.1Hz及以上的頻率。高通濾波器還有兩項好處：阻塞電壓基準輸出的直流成分、只允許高通濾波器拐點頻率以上的交流信號到達低噪聲前置放大器。

　　圖1 測量電壓基準噪聲的典型配置

　　影響甚至限制典型電路性能的設計注意事項有多種：

　　1)實現高通濾波器的較低截止頻率，需要大的、低漏洩、高質量和昂貴的電容。

　　2)輸入電阻的閃爍噪聲和低噪聲前置放大器的輸入電流噪聲疊加在一起，決定該電阻引起的低頻噪聲。所以，較小的電阻產生較低的噪聲。然而，較低的電阻要求較大的電容，以實現高通濾波器的截止頻率。

　　3)高通濾波器引起的噪聲至關重要，因為該噪聲將疊加至前置放大器的輸入電壓噪聲。在前置放大器輸入上產生的總噪聲必須遠低於電壓基準的噪聲。

　　2替代的噪聲測量配置

　　圖2所示的配置中，使用兩個完全相同的電壓基準準確地確定其低頻噪聲。這是一種間接測量噪聲的方法。該方法的前提條件是：兩個不同器件(同一製造批次)具有非常相似的噪聲性能，且其噪聲不相干。

　　圖2 建議用於評估電壓基準噪聲性能的配置

　　在我們的實驗中，配置採用了一對MAX6126超低噪聲電壓基準。圖2詳細配置中的虛線表示全部測試電路都在法拉第金屬籠中與外部環境完全屏蔽。我們的詳細平臺配置請參見圖6和圖7。

　　使用網絡分析儀很容易評估實驗配置的傳遞函數(G×F)。

　　MAX6126具有噪聲抑制引腳NR，可通過外部電容連接到地。該電容與片上電阻(典型值為20kΩ)一起組成低通濾波器，降低內部基準的噪聲。利用0.1µF噪聲抑制電容，我們可濾除100Hz以上的頻譜分量。本文中，我們證明100µF噪聲抑制電容可用於降低1/f噪聲(0.1Hz至10Hz)，因為濾波器的截止頻率為大約0.1Hz。

　　選擇MAX9632的原因是其噪聲極其低，包括1/f噪聲和寬帶噪聲。MAX9632用作差分放大器配置。差分電壓增益取決於匹配良好的5KΩ和50Ω電阻的比率。選擇這些0.01%匹配電阻來改善CMRR性能，進而抑制外部RF或/和交流電網信號的寄生耦合注入的有害共模噪聲。採用的增益為100V/V，但必要時也可設置為更高。然而，差分放大器帶寬BW將減小，因為BW = GBW/增益。

　　差分放大器的輸出連接到高通濾波器。該濾波器允許根據電阻和電容值合理設置濾波器截止頻率。100µF和50kΩ組合，用於通過0.03Hz及更高的頻率。在低噪聲前置放大器之後使用高通濾波器有多種優勢。由於濾波器位於增益級之後，所以電容和電阻的噪聲不是特別重要，我們可使用普通電容和電阻器件。此外，我們也可以根據需要自定義濾波器截止頻率。值得注意的是，信號分析儀輸入設置為直流耦合模式。所以，信號分析儀中交流耦合模式的高通濾波器頻率拐點不影響測量。

　　3信號鏈的頻率響應

　　利用圖3所示的實驗配置評估圖2中噪聲測量配置的頻率響應。在這種情況下，測試信號連接到差分放大器的輸入端，另外一端輸入連接到地。

　　圖3 測量頻率響應的測試配置(對應圖2)。

　　頻率響應函數為G×F(見上文式7)。圖4表明，在低頻帶範圍內(0.1Hz至10Hz)，我們可假設以輸出為基準的噪聲增益可達40dB或100V/V。由於0.1Hz和10Hz為所用外部帶通濾波器的拐點頻率，所以它們是增益響應上的-3dB點。

　　圖4 噪聲測量配置的交流增益頻率響應(G×F)

　　圖4表明，在頻帶(0.1HZ至10Hz)內，假設以輸出為基準的噪聲增益為40dB或100V/V是安全的。圖5所示為用於校準噪聲的時域輸出配置。配置的輸入連接到地。記錄64s時隙內的輸出噪聲，明顯超過頻域中0.1Hz對應的10s時間。這非常有用，表明64s總時間中任意10s窗口的峰-峰值變化非常小。

　　圖5 校準噪聲eout0的時域配置(見式6)

　　圖6所示為所用實驗室配置和儀器的照片。圖7為詳細的配置。

　　圖6 詳細的實驗室配置照片

　　圖7 圖6所示的法拉第籠中的配置

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