用簡(jiǎn)單、有效的方法和電路測(cè)量極低1/f電壓基準(zhǔn)噪聲(< 1μVP-P，0.1Hz至10Hz)

　　引言

　　電壓基準(zhǔn)的電壓噪聲和溫漂通常決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DA定S)的測(cè)量極限。電壓基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資料一般以兩種獨(dú)立形式給出噪聲指標(biāo)：1) 低頻(0.1Hz至10Hz)，μVP-P;2) 寬帶噪聲，給定帶寬(例如，10Hz至1kHz)內(nèi)的μVRMS;或者電壓噪聲譜密度達(dá)到其平坦度指標(biāo)時(shí)對(duì)應(yīng)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后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?yàn)闉V除較低頻率需要較大的電容。

　　由于電壓基準(zhǔn)噪聲是隨機(jī)信號(hào)，所以也影響輸出電壓精度。例如，如果輸出噪聲為1mVP-P，那么對(duì)于3V基準(zhǔn)，噪聲轉(zhuǎn)換為0.033%電壓隨機(jī)性，這影響基準(zhǔn)的初始精度。本文介紹了一種可測(cè)量和降低電壓基準(zhǔn)的低頻噪聲簡(jiǎn)單、有效的方法。應(yīng)用實(shí)例的目標(biāo)是得到低于1μVP-P的低頻噪聲(0.1Hz至10Hz)。

　　1電壓基準(zhǔn)噪聲的測(cè)量

　　測(cè)量電壓基準(zhǔn)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方法如圖1所示。將電壓基準(zhǔn)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(xiàng)好處：阻塞電壓基準(zhǔn)輸出的直流成分、只允許高通濾波器拐點(diǎn)頻率以上的交流信號(hào)到達(dá)低噪聲前置放大器。

　　圖1 測(cè)量電壓基準(zhǔn)噪聲的典型配置

　　影響甚至限制典型電路性能的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)有多種：

　　1)實(shí)現(xiàn)高通濾波器的較低截止頻率，需要大的、低漏泄、高質(zhì)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(chǎn)生較低的噪聲。然而，較低的電阻要求較大的電容，以實(shí)現(xiàn)高通濾波器的截止頻率。

　　3)高通濾波器引起的噪聲至關(guān)重要，因?yàn)樵撛肼晫B加至前置放大器的輸入電壓噪聲。在前置放大器輸入上產(chǎn)生的總噪聲必須遠(yuǎn)低于電壓基準(zhǔn)的噪聲。

　　2替代的噪聲測(cè)量配置

　　圖2所示的配置中，使用兩個(gè)完全相同的電壓基準(zhǔn)準(zhǔn)確地確定其低頻噪聲。這是一種間接測(cè)量噪聲的方法。該方法的前提條件是：兩個(gè)不同器件(同一制造批次)具有非常相似的噪聲性能，且其噪聲不相干。

　　圖2 建議用于評(píng)估電壓基準(zhǔn)噪聲性能的配置

　　在我們的實(shí)驗(yàn)中，配置采用了一對(duì)MAX6126超低噪聲電壓基準(zhǔn)。圖2詳細(xì)配置中的虛線表示全部測(cè)試電路都在法拉第金屬籠中與外部環(huán)境完全屏蔽。我們的詳細(xì)平臺(tái)配置請(qǐng)參見圖6和圖7。

　　使用網(wǎng)絡(luò)分析儀很容易評(píng)估實(shí)驗(yàn)配置的傳遞函數(shù)(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20k?)一起組成低通濾波器，降低內(nèi)部基準(zhǔn)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噪聲抑制電容可用于降低1/f噪聲(0.1Hz至10Hz)，因?yàn)闉V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。差分電壓增益取決于匹配良好的5K?和50?電阻的比率。選擇這些0.01%匹配電阻來改善CMRR性能，進(jìn)而抑制外部RF或/和交流電網(wǎng)信號(hào)的寄生耦合注入的有害共模噪聲。采用的增益為100V/V，但必要時(shí)也可設(shè)置為更高。然而，差分放大器帶寬BW將減小，因?yàn)锽W = 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(jù)電阻和電容值合理設(shè)置濾波器截止頻率。100μF和50k?組合，用于通過0.03Hz及更高的頻率。在低噪聲前置放大器之后使用高通濾波器有多種優(yōu)勢(shì)。由于濾波器位于增益級(jí)之后，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(jù)需要自定義濾波器截止頻率。值得注意的是，信號(hào)分析儀輸入設(shè)置為直流耦合模式。所以，信號(hào)分析儀中交流耦合模式的高通濾波器頻率拐點(diǎn)不影響測(cè)量。

　　3信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)

　　利用圖3所示的實(shí)驗(yàn)配置評(píng)估圖2中噪聲測(cè)量配置的頻率響應(yīng)。在這種情況下，測(cè)試信號(hào)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(cè)量頻率響應(yīng)的測(cè)試配置(對(duì)應(yīng)圖2)。

　　頻率響應(yīng)函數(shù)為G×F(見上文式7)。圖4表明，在低頻帶范圍內(nèi)(0.1Hz至10Hz)，我們可假設(shè)以輸出為基準(zhǔn)的噪聲增益可達(dá)40dB或100V/V。由于0.1Hz和10Hz為所用外部帶通濾波器的拐點(diǎn)頻率，所以它們是增益響應(yīng)上的-3dB點(diǎn)。

　　圖4 噪聲測(cè)量配置的交流增益頻率響應(yīng)(G×F)

　　圖4表明，在頻帶(0.1HZ至10Hz)內(nèi)，假設(shè)以輸出為基準(zhǔn)的噪聲增益為40dB或100V/V是安全的。圖5所示為用于校準(zhǔn)噪聲的時(shí)域輸出配置。配置的輸入連接到地。記錄64s時(shí)隙內(nèi)的輸出噪聲，明顯超過頻域中0.1Hz對(duì)應(yīng)的10s時(shí)間。這非常有用，表明64s總時(shí)間中任意10s窗口的峰-峰值變化非常小。

　　圖5 校準(zhǔn)噪聲eout0的時(shí)域配置(見式6)

　　圖6所示為所用實(shí)驗(yàn)室配置和儀器的照片。圖7為詳細(xì)的配置。

　　圖6 詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)室配置照片

　　圖7 圖6所示的法拉第籠中的配置