線性穩(wěn)壓器具 2nV/√Hz 噪聲和 120dB 電源抑制

引言

在很多電路應(yīng)用中，無(wú)噪聲、良好穩(wěn)定的電源對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能是很重要。壓控振蕩器 (VCO) 和精確的壓控晶體振蕩器 (VCXO) 會(huì)迅速響應(yīng)電源的微小變化。鎖相環(huán) (PLL) 需要穩(wěn)定的電源，因?yàn)殡娫瓷系男盘?hào)會(huì)直接轉(zhuǎn)變成輸出的相位噪聲。RF 放大器需要無(wú)噪聲電源，因?yàn)檫@類放大器缺乏抑制電源變化的能力，而且穩(wěn)壓器變化將以不想要的邊帶信號(hào)形式出現(xiàn)，降低了信噪比。低噪聲放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 不具備無(wú)限大的電源抑制能力，穩(wěn)壓器輸出越干凈，性能就越高。上面僅列舉了幾種需要線性穩(wěn)壓器提供無(wú)噪聲電源軌的例子，那么怎樣才能確保穩(wěn)壓器按規(guī)定運(yùn)行呢?

電源一旦搭建完畢就可以確定，對(duì)于其應(yīng)用而言，電源是否具有足夠低的噪聲。振蕩器的相位噪聲可以測(cè)量，然后，相對(duì)于用一個(gè)已知和性能良好的電源實(shí)現(xiàn)之結(jié)果，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較。還要檢查 ADC，以確保得到最多位數(shù)。這些測(cè)量工作比較難，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，如果可不進(jìn)行費(fèi)用高昂的試驗(yàn)就可確保噪聲足夠低，那會(huì)更好。

除了噪聲，還必須考慮線性穩(wěn)壓器的電源抑制能力。線性穩(wěn)壓器電源抑制能力不佳會(huì)給開關(guān)穩(wěn)壓器留下剩余信號(hào)或帶來(lái)其他不想要的信號(hào)，從而破壞為確保擁有干凈的電源所付出的艱苦努力。如果電源抑制能力不佳，留下了足夠淹沒噪聲的信號(hào)，那么穩(wěn)壓器的噪聲即使極低，也是沒有價(jià)值的。

測(cè)量輸出電壓噪聲

靜噪不是新鮮事

噪聲問(wèn)題很早以前就開始提及了。2000 年 3 月凌力爾特發(fā)布了《應(yīng)用指南 83》(Application Note 83)，題為 “低壓差穩(wěn)壓器的低噪聲性能驗(yàn)證” (Performance Verification of Low Noise, Low Dropout Regulators)，文中詳細(xì)敘述了一種測(cè)量方法，可以有把握地測(cè)量低至 4µVRMS 的穩(wěn)壓器輸出電壓噪聲。該應(yīng)用指南中所用的放大器電路和濾波器在 10Hz 至 100kHz 帶寬時(shí)提供 60dB 增益。這是一個(gè)良好的起點(diǎn)，可以有把握地測(cè)量噪聲水平。

諸如 LT3042 等最新線性穩(wěn)壓器現(xiàn)已投產(chǎn)，其輸出電壓噪聲低得多。在《應(yīng)用指南 83》發(fā)布前后推出的該系列穩(wěn)壓器在 10Hz 至 100kHz 頻帶上的噪聲約為 20µVRMS，而現(xiàn)在 LT3042 在相同頻帶上的噪聲低至 0.8µVRMS?；仡櫋稇?yīng)用指南 83》中的電路可以看出，輸入?yún)⒖荚肼晫訛? 0.5µVRMS，當(dāng)測(cè)量低至 4µVRMS 的噪聲時(shí)，誤差低于 1%。在輸出噪聲為 0.8µVRMS 的現(xiàn)在，這樣的噪聲層就不可接受了，因?yàn)榉€(wěn)壓器本身的工作噪聲僅略高于測(cè)量電路。這相當(dāng)于幾乎高達(dá) 20% 的誤差，從而使測(cè)量電路成為過(guò)于重要的因素，以至于不能有把握地測(cè)量信號(hào)。

測(cè)量低于 1µVRMS 的噪聲不是一項(xiàng)微不足道的任務(wù)。在 10Hz 至 100kHz 測(cè)量頻帶上逆推，這相當(dāng)于 3.16nV/√Hz 噪聲頻譜密度 (假定噪聲為白噪聲)。這就相當(dāng)于 625Ω 電阻器產(chǎn)生的熱噪聲。以 5% 的誤差測(cè)量這么大的噪聲，要求儀器有一個(gè) 1nV/√Hz 的輸入?yún)⒖荚肼?，?1% 內(nèi)的誤差測(cè)量則要求 450pV/√Hz 的輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>

進(jìn)行什么樣的測(cè)量?

我們現(xiàn)在對(duì)儀器要求的噪聲層已有所了解，但是還有一個(gè)問(wèn)題，即關(guān)鍵頻率范圍以及用什么儀器測(cè)量所產(chǎn)生的噪聲。為了測(cè)量噪聲頻譜密度，可以簡(jiǎn)單地通過(guò)低噪聲增益級(jí) 饋送穩(wěn)壓器輸出，然后再饋送到頻譜分析儀中，從而將不想要的頻率從測(cè)量中隔離出去。如果想測(cè)量峰至峰值或 RMS 噪聲，那么在低噪聲增益級(jí)上要確保帶阻，以確保僅測(cè)量在想要的帶寬內(nèi)的信號(hào)。

常用的寬帶噪聲測(cè)量頻率范圍為 10Hz 至 100kHz。這個(gè)范圍包括音頻頻帶，可確保通過(guò) RF 傳送的基帶數(shù)據(jù)產(chǎn)生最小的邊帶信號(hào)。鎖相環(huán)中使用的低噪聲穩(wěn)壓器和高準(zhǔn)確度儀表要求在較高的頻率上進(jìn)行測(cè)量 (高達(dá) 1MHz 及以上)，因此我們不應(yīng)該將自己限制到僅 100kHz 范圍。理想情況下，帶阻會(huì)在想要的頻率上實(shí)現(xiàn)絕對(duì)的磚墻式濾波，但電路設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)使我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)這樣的效果。選擇較高階的巴特沃斯 (Butterworth) 濾波器, 以保持所關(guān)注頻率范圍內(nèi)的最大平坦度及其提供更好磚墻式近似的能力。濾波器的階數(shù)由其等效噪聲帶寬 (ENB) 引入的誤差決定：二階低通巴特沃斯濾波器的 ENB 為 1.11fH，所產(chǎn)生的誤差太大。4 階濾波器的 ENB 降至 1.026fH，所產(chǎn)生的誤差約為 1.3%。更高階的濾波器會(huì)增加不必要的復(fù)雜性和成本，所帶來(lái)的性能改進(jìn)卻很小。4 階濾波器的誤差加上輸入?yún)⒖荚肼曀氲恼`差，若要以 5% 內(nèi)的誤差進(jìn)行測(cè)量，則要求來(lái)自放大器的輸入?yún)⒖荚肼曋畲笳`差不超過(guò) 1%。

電路增益也必須考慮。如果增益太低，測(cè)量?jī)x器的噪聲會(huì)加進(jìn)來(lái)，像放大器的輸入噪聲一樣，損害測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，儀器也許不夠靈敏，無(wú)法提供可靠的測(cè)量結(jié)果。就 RMS 噪聲測(cè)量而言，HP3400A RMS 電壓表的底部范圍為 1mV，因此 60dB 是絕對(duì)最低增益?；谀壳翱色@得的商用頻譜分析儀 (而且可從二手市場(chǎng)獲得) 之噪聲層數(shù)據(jù)，人們決定 80dB 時(shí)會(huì)有最佳的工作表現(xiàn)。

穩(wěn)壓器測(cè)量時(shí)須考慮的因素

噪聲測(cè)量電路的方框圖如圖 1 所示。首先是 DC 隔離構(gòu)件，接下來(lái)是超低噪聲增益級(jí)以 AV = 25 將輸入放大。然后是一個(gè) 5Hz 的單階高通濾波器至另一個(gè) AV = 20 的增益構(gòu)件。接下來(lái)是一個(gè) 10Hz 二階 Sallen-Key 濾波器和最后的 AV = 20 之增益級(jí)，到此凈增益達(dá)到了 1 萬(wàn)倍或 80dB。再后面是 3 個(gè)可選輸出之一，選擇哪一個(gè)取決于想要的高端頻率。3 個(gè)可選輸出或其頻率范圍分別是 1MHz 限制、前述的 100kHz 帶阻、以及達(dá)到所用增益級(jí)極限的 (在 3MHz y量到 -3dB 頻率) 寬帶輸出。每種輸出之后都是最后的 5Hz 高通濾波器，以隔離任何殘留 DC 信號(hào)。

圖 1：面向噪聲測(cè)試的濾波器和增益選擇。巴特沃斯濾波器提供合適的頻率響應(yīng)。

實(shí)際電路如圖 2 所示。這里 DC 隔離是用 680µF 電容器和緊隨其后的 499Ω電阻器組成。電容和電阻值的選擇是該電路須做出的主要權(quán)衡之一。電阻器的值必須足夠低，以便其后一級(jí)的基極電流不會(huì)引起極大的 DC 誤差。不過(guò)，如果所選電阻值太低，該濾波器所需電容就會(huì)變得極之大。對(duì)所測(cè)試的穩(wěn)壓器而言，低電阻值還有可能使該濾波器成為頻率補(bǔ)償?shù)慕M成部分，從而改變所測(cè)得的結(jié)果。電流值構(gòu)成了 0.5Hz 高通濾波器。

圖 2：圖 1 所示方框圖的實(shí)際電路。并聯(lián)的各級(jí)每個(gè)都配備了低噪聲三極管差分電路，以降低噪聲，同時(shí)提高增益。

第一個(gè)增益級(jí)的架構(gòu)至關(guān)重要。這一級(jí)必須提供固定增益，同時(shí)在O低的入?yún)⒖荚肼暪ぷ?。在題為 “775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference” (針對(duì)低噪聲電壓基準(zhǔn)的 775 毫微伏噪聲測(cè)量) 的《應(yīng)用指南 124》(Application Note 124) 中，介紹了已故的 Jim Williams 所做的工作，以此為基礎(chǔ)，選擇用三極管差分對(duì)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器的輸入，以提供最佳帶寬，同時(shí)仍然保持低噪聲。以大約 80 倍的增益驅(qū)動(dòng)差分對(duì)意味著，這對(duì)三極管的噪聲起主導(dǎo)作用，而運(yùn)算放大器的噪聲不是非常重要的因素。

超低噪聲放大器第一增益級(jí)由兩對(duì)匹配的 THAT300 三極對(duì)管并聯(lián)組成 (以降低輸入?yún)⒖荚肼?，接著是 LT1818，該器件配置為使這一級(jí)提供 25 倍的總增益。單一 SO-14 封裝中包含 4 個(gè) THAT300 三極管，提供良好的匹配特性 (典型值為 500µV VBE) 和 800pV/√Hz 的典型噪聲。選擇 LT1818 是為了實(shí)現(xiàn)高增益-帶寬積。

輸入三極對(duì)管和放大器級(jí)并聯(lián)，可在不犧牲增益的前提下改善噪聲層。人們都知道，放大器電路并聯(lián)時(shí)，產(chǎn)生電壓噪聲壓差，N 級(jí)并聯(lián)時(shí)使噪聲降低為 1/√N。三極對(duì)管并聯(lián)使有效噪聲降至 800pV/√Hz。之后，通過(guò)并聯(lián) 4 個(gè)完整的輸入級(jí)，這個(gè)噪聲會(huì)進(jìn)一步降低，再降低 2 倍，至 400pV/√Hz。后續(xù)增加的噪聲源很小，從而使我們能夠接近 1% 準(zhǔn)確度所要求的 450pV/√Hz。

在第一增益級(jí)之后，330µF 電容器和 100Ω 電阻器對(duì)任何偏移提供 DC 隔離，而偏移是三極管差分對(duì)和運(yùn)算放大器所固有的。這還提供 5Hz 高通濾波器，從而有助于提供想要的低頻帶阻。所有 4 個(gè)輸入級(jí)合起來(lái)構(gòu)成第二個(gè)增益級(jí)，增益為 20 倍。這時(shí)，輸入已經(jīng)得到了放大，因此運(yùn)算放大器的噪聲再次成為影響很小的因素。

10Hz 二階高通濾波器是一個(gè)簡(jiǎn)單的單位增益 Sallen-Key 濾波器。提高這個(gè)濾波器的 Q 值，以幫助補(bǔ)償單一 5Hz 高通濾波器級(jí)的頻率響應(yīng)，并為整個(gè)電路提供一個(gè) 10Hz 的 3dB 點(diǎn)。另外，這一級(jí)的 DC 隔離防止可能在前一級(jí)已經(jīng)被放大的任何偏移再次被放大。如果不能在不同的級(jí)之間隔離 DC 信號(hào)，就有可能導(dǎo)致將放大器驅(qū)動(dòng)到其軌電壓上，從而使測(cè)量結(jié)果無(wú)效。每個(gè)增益級(jí)之間都放置了一個(gè)濾波器，以防止 DC 信號(hào)通過(guò)，同時(shí)提供低端帶阻。

最后一級(jí)是一個(gè)簡(jiǎn)單的負(fù)輸出放大器，具可調(diào)增益以補(bǔ)償組件值的變化。從這里開始，該電路分成了 3 個(gè)輸出級(jí)。最大帶寬直接來(lái)自一個(gè)跟隨器，從而避免了低通濾波，并在滿增益噪聲吞吐量情況下，提供 3MHz 的最大帶寬。第二個(gè)輸出采用了 1MHz 4 階巴特沃斯低通濾波器，最后一個(gè)輸出采用 100kHz 4 階巴特沃斯低通濾波器。所有這 3 個(gè)級(jí)都使用一個(gè)最終在 5Hz 的 DC 隔離 RC 濾波器。

組件選擇很重要

對(duì)任何電路而言，選擇正確的組件都很重要，但是談到超低噪聲測(cè)量時(shí)，選擇正確的組件甚至?xí)P(guān)鍵。噪聲放大器中最關(guān)鍵的點(diǎn)是輸入級(jí)，一旦確定了這第一級(jí)，很多困難也就變小了。用來(lái)直接在輸入端實(shí)現(xiàn) DC 隔離的 RC 濾波器必須仔細(xì)考慮。

電阻器的選擇沒有很多爭(zhēng)議，與薄膜電阻器相比，金屬薄膜電阻器用來(lái)確保低 1/f 噪聲。電容器則完全是另一回事，必須仔細(xì)考慮。在《應(yīng)用指南 124》(Application Note 124) 中，使用了一種昂貴的液鉭電容器，以提供很低的 1/f 噪聲，這種電容器是手工挑選的，以選出低泄漏器件。在以低至 0.1Hz 頻率工作時(shí)，這些特性更加重要。針對(duì)寬帶噪聲采用 10Hz 低頻帶阻時(shí)，較低價(jià)格的電容器可以提供可接受的性能。大型多層陶瓷電容器是一種糟糕的選擇，因?yàn)樗鼈儽举|(zhì)上是一種壓電器件，任何機(jī)械振動(dòng)會(huì)把信號(hào)注入到電路中，迅速地超過(guò)所測(cè)噪聲水平。此外，電壓系數(shù)基于穩(wěn)壓器輸出電壓引起拐角頻率變化，這個(gè)特性是不想要的。鉭和鋁電解質(zhì)電容器價(jià)格不貴，也沒有電壓系數(shù)或機(jī)械敏感性問(wèn)題。以前會(huì)考慮聚對(duì)苯二甲酸薄膜電容器等更加昂貴的電容器，但是低可用性、高成本和缺乏性能改進(jìn)使這類電容器被排除在外了。

即使采用那些可能的選擇，電容器也確實(shí)顯示出必須仔細(xì)考慮的噪聲特性。大型多層陶瓷電容器能夠以低噪聲工作，但是已經(jīng)被排除在外，因?yàn)樗鼈儗?duì)機(jī)械振動(dòng)敏感。鉭和鋁電解質(zhì)電容器產(chǎn)生較高的噪聲 (見參考資料中 Sikula 等撰寫的文章，以了解進(jìn)一步的信息)。最后選擇了標(biāo)準(zhǔn)鉭電容器，因?yàn)檫@類電容器價(jià)格合理、偏置電壓特性良好而且對(duì)物理振動(dòng)不起反應(yīng)。多個(gè)電容器并聯(lián)可獲得所需電壓額定值和凈電容，同時(shí)還可降低這些電容器導(dǎo)致的噪聲。

出于類似原因，第一個(gè)增益級(jí)構(gòu)件和第二個(gè)增益級(jí)構(gòu)件之間的隔離 / 濾波也選擇用鉭電容器實(shí)現(xiàn)。盡管使用鉭電容器后，第一級(jí)的增益會(huì)導(dǎo)致噪聲被放大，但是人們發(fā)現(xiàn)，陶瓷電容器的壓電響應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)超出了可接受水平。

幾乎任何類型的電容器都適合最后的輸出隔離 / 濾波網(wǎng)絡(luò)，這里選擇了陶瓷電容器。被放大并與電容器壓電響應(yīng)有關(guān)的噪聲現(xiàn)在足夠大，缺少 DC 偏移意味著電容器接近其預(yù)期值。第一增益級(jí)中的補(bǔ)償電容器以及巴特沃斯濾波器中使用的電容器是 C0G、NPO 或聚對(duì)苯二甲酸電容器，因?yàn)檫@類電容器的電介質(zhì)沒有或有很小的壓電效應(yīng)或 DC 偏置漂移。

怎樣給電路本身供電是最后一個(gè)重要決定。人們選擇用堿性電池作電源，這樣就可為所有級(jí)提供噪聲最小的電源，并防止設(shè)備中可能存在的地環(huán)路導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。我們必須記住，這里采用的所有電路都不具備無(wú)限大的電源抑制能力，電源上的任何噪聲都可以到達(dá)輸出，并有可能影響測(cè)量結(jié)果。在選擇用任何基于電網(wǎng)的電源供電時(shí)，要仔細(xì)考慮這些因素。

實(shí)際的電路限制

放大器有一些實(shí)際限制是不能忽視的。如果電路提供 80dB 增益，那么輸入端的 100µVP-P 信號(hào)在輸出端將變成 1VP-P。用 ±4.5V 電源供電決定了輸出信號(hào)幅度低于 ±3.5V。因此，輸入不能接受總幅度超過(guò) ±350µV 的信號(hào)，否則信號(hào)保真度就無(wú)法保證。就高斯 (Gaussian) 噪聲而言，預(yù)計(jì)最差情況的波峰因數(shù)為 10，那么用這個(gè)電路可測(cè)得的最大值僅為 70µVRMS。

從這里看出，確保鉭電容器正確偏置也很重要。就輸入隔離電容器而言，三極管幾乎在地電位上工作，因此正輸出電壓穩(wěn)壓器要求將電容器的正極連至穩(wěn)壓器輸出。相反，測(cè)量負(fù)的輸出電壓時(shí)，電容器要反過(guò)來(lái)連接。就第一級(jí)和第二級(jí)之間的 DC 隔離和濾波而言，電容器的負(fù)端應(yīng)該連至第一級(jí)。三極管的基極電流通過(guò) 499Ω 電阻器將其基極電壓拉至略負(fù)，這個(gè)略負(fù)的電壓通過(guò)第一級(jí)的 25 倍增益進(jìn)一步放大，因此要求電容器這樣取向。

校準(zhǔn)、驗(yàn)證和測(cè)量

一旦電路搭建完成，就需要驗(yàn)證增益和輸入?yún)⒖荚肼暋榱诵?zhǔn)增益，用 60dB 衰減 把來(lái)自函數(shù)發(fā)生器的信號(hào)降至能夠避免放大器輸出以軌電壓運(yùn)行的水平。在 1kHz 中頻段頻率時(shí)，100mVP-P 從函數(shù)發(fā)生器進(jìn)入衰減器，調(diào)整最后的增益級(jí)中的電位器，以在輸出端提供 1VP-P。在 10Hz 至 1MHz 范圍來(lái)回調(diào)節(jié)頻率，以驗(yàn)證增益在想要的帶寬內(nèi)是平坦的。

增益和頻率響應(yīng)的驗(yàn)證是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行的?；鶞?zhǔn)信號(hào)通過(guò) 60dB 衰減器饋送給放大器輸入。3 個(gè)獨(dú)立的輸出作為測(cè)試點(diǎn)連接，并掃過(guò)整個(gè)頻率范圍。圖 3 顯示 3 個(gè)輸出中每一個(gè)的增益隨頻率的變化，突出顯示了卓越的平坦度和恰當(dāng)?shù)墓战穷l率。

圖 3：圖 1 電路的增益。濾波器響應(yīng)顯示，在想要的拐角頻率處有陡峭的滾降。

為了驗(yàn)證輸入?yún)⒖荚肼?，將放大器輸入短接至地，測(cè)量輸出端的噪聲。測(cè)量直接用 RMS 電壓表或示波器進(jìn)行。噪聲頻譜密度用頻譜分析儀觀看。所測(cè)得的寬帶輸出噪聲頻譜密度 (如圖 4 所示) 有 1/f 噪聲，拐角頻率為 200Hz，在 200Hz 至 1MHz 范圍內(nèi)呈現(xiàn) 5µV/√Hz 白噪聲特性。用 80dB 增益除以這個(gè)噪聲數(shù)值，得出輸入?yún)⒖荚肼暿?500pV/√Hz，略高于目標(biāo)值。即使有 1/f 分量，這一數(shù)值也相當(dāng)于在 10Hz 至 100kHz 帶寬內(nèi)有 0.15µVRMS，這個(gè)數(shù)值足夠低，可以有把握地在相同的帶寬上測(cè)量 1µVRMS。測(cè)量結(jié)果與示波器上測(cè)得的峰至峰值噪聲有良好的相關(guān)性，如圖 5 所示。

圖 4：輸入短接至地時(shí)放大器的噪聲頻譜密度顯示出有 1/f 分量。除以 80dB 電路增益，就可產(chǎn)生輸入?yún)⒖荚肼暋?/p>

圖 5：輸入短接至地時(shí)的峰至峰值放大器噪聲 (100kHz 范圍) 與噪聲頻譜密度相關(guān)。

測(cè)量仍然不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)

在這個(gè)電路的設(shè)計(jì)和測(cè)試期間，出現(xiàn)了幾種不太明顯的影響，這顯示出測(cè)量超低噪聲的難度。將輸入短接至地并將輸出連至示波器，揭示出很多用 RMS 電壓表或頻譜分析儀看不到的信息。用陶瓷電容器進(jìn)行輸入濾波和第二級(jí)濾波時(shí)，只用手指敲擊實(shí)驗(yàn)臺(tái)就會(huì)產(chǎn)生很大的信號(hào)擺幅，從而顯示出陶瓷電容器的壓電特性。這使得人們轉(zhuǎn)而采用固鉭電容器。

還有一種明顯的影響是，待測(cè)噪聲如此之小，以至于需要不同尋常的測(cè)量方法，以確保得到可靠的測(cè)量結(jié)果。將放大器電路板放在型號(hào)較舊的示波器前面，就會(huì)顯示規(guī)則的 20kHz 信號(hào) (就像示波器內(nèi)有一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器)，該信號(hào)的幅度大于輸入?yún)⒖荚肼??？拷鼘?shí)驗(yàn)臺(tái)上的萬(wàn)用表放置放大器電路板，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的 60Hz 信號(hào)。圖 6 顯示，當(dāng)放大器放置在加電示波器前面幾英寸的地方時(shí)，放大器是多么靈敏。在上述兩種情況下，將電路板從設(shè)備附近拿開，或者改變電路板的朝向，都會(huì)改變信號(hào)幅度，而關(guān)斷設(shè)備則會(huì)消除信號(hào)。在鉛筆末端纏繞幾個(gè)導(dǎo)線回路，將這連至函數(shù)發(fā)生器，以在不同頻率時(shí)作為小型天線使用。不出所料，電路板上的某些區(qū)域有一些電路回路與實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備中的電感器和變壓器發(fā)生了磁耦合。為此進(jìn)行了一些布局改進(jìn)，以幫助最大限度減少回路，不過(guò)顯而易見的是，需要外部屏蔽。

圖 6：輸入短接至地和靠近示波器時(shí)，所顯示的信號(hào)突出表明放大器電路板對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度。

屏蔽盒結(jié)構(gòu)

圖 7 和圖 8 顯示了用來(lái)放置噪聲放大器電路板的屏蔽盒之內(nèi)部結(jié)構(gòu)。放大器電路板與 6 節(jié) D 號(hào)堿性電池一起放置在屏蔽盒內(nèi)，該屏蔽盒是用 0.050 厚的 Mu Metal 做成的，以針對(duì)低頻磁場(chǎng)提供良好的屏蔽效果。然后，將這屏蔽盒放入一個(gè)由 2 盎司覆銅板做成的盒子中，兩個(gè)盒子之間留出 1/2’’ 空隙，之所以選擇覆銅板，是要針對(duì)較高頻率提供良好的屏蔽效果。最后，將這兩個(gè)盒子放入一個(gè)不銹鋼盒 (一個(gè)再利用的餅干盒) 中，以針對(duì)磁場(chǎng)提供一定程度的初始屏蔽，盒間依然留出 1/2’’ 空隙。各個(gè)盒之間的 1/2’’ 空氣隙幫助衰減磁場(chǎng)。附錄 A “用于磁場(chǎng)屏蔽的材料”一文探討了對(duì)低頻磁場(chǎng)屏蔽有用的材料。

圖 7：屏蔽盒結(jié)構(gòu) (不銹鋼盒內(nèi)套銅板盒再內(nèi)套 Mu Metal 盒) 以衰減磁場(chǎng)。

圖 8：詳細(xì)的屏蔽盒結(jié)構(gòu)。請(qǐng)注意，僅輸入同軸纜屏蔽層連至金屬屏蔽盒，以防止產(chǎn)生地回路。

關(guān)于屏蔽盒的構(gòu)造，需要提及幾個(gè)重要的方面。內(nèi)部放大器電路板用同軸電纜將信號(hào)從電路板送出來(lái)，送到輸入和輸出 BNC 連接器。不過(guò)，必須注意同軸纜屏蔽層的連接。僅輸入屏蔽層連至電路板的地平面和最外層的不銹鋼盒。輸入和輸出 BNC 屏蔽層都連至不銹鋼盒，同時(shí)輸入和輸出端的同軸纜屏蔽層都連至電路板地。如果輸出屏蔽層也連至不銹鋼盒，那么就會(huì)形成一個(gè)地回路，這可能會(huì)增強(qiáng)雜散磁場(chǎng)。每一層屏蔽盒都通過(guò)金屬螺釘和支架與其外面一層屏蔽盒實(shí)現(xiàn)電氣連接，放大器電路板用阻焊層隔離。這樣一來(lái)，無(wú)需在內(nèi)部連至放大器電路板的地平面，就可以實(shí)現(xiàn)屏蔽盒之間的連接，這樣就不會(huì)產(chǎn)生可能的回路。最后，不銹鋼本身可以增大衰減：不銹鋼盒體與盒蓋的內(nèi)外邊緣經(jīng)過(guò)打磨，以清除裝飾漆和保護(hù)層，確保盒體與盒蓋之間有良好的電氣接觸。

值得一提的是，即使所有聯(lián)注放在屏蔽電路上，但是電壓頻率場(chǎng)依然足夠強(qiáng)以直接影響噪聲曲線，如圖 4 所示。幸運(yùn)的是，屏蔽足夠有效，能夠最大限度減小這些場(chǎng)產(chǎn)生的信號(hào)。即便如此，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，人們還是應(yīng)該充分意識(shí)到與電路相互影響的各種場(chǎng)的潛力。

測(cè)量穩(wěn)壓器輸出噪聲

一旦放大器檢查和校準(zhǔn)完畢，就進(jìn)行實(shí)際噪聲測(cè)量。要想準(zhǔn)確測(cè)量線性穩(wěn)壓器的輸出噪聲并獲得反映真實(shí)情況的結(jié)果，就要格外注意 DUT 屏蔽、組件選擇、布局和電纜管理。圖 9 顯示了用來(lái)測(cè)試一個(gè)線性穩(wěn)壓器的配置，突出顯示了用來(lái)避免磁場(chǎng)干擾測(cè)量結(jié)果的結(jié)構(gòu)和屏蔽方法。在任何給定時(shí)間只有一個(gè)儀器連接以排除破壞測(cè)量的接地回路。

圖 9：進(jìn)行噪聲測(cè)量的實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置。屏蔽盒中放置了噪聲放大器。由于線性穩(wěn)壓器具備低輸出阻抗，所以沒有必要屏蔽，但是磁場(chǎng)仍然有可能影響輸出。

選擇用電池作為電源給線性穩(wěn)壓器供電的理由與選擇用電池給放大器供電是相同的，目的是測(cè)量線性穩(wěn)壓器的噪聲，而不是確定電源抑制特性。穩(wěn)壓器不需要屏蔽，因?yàn)榉€(wěn)壓器具備低輸出阻抗，因此非常不容易受到低頻磁場(chǎng)的影響。連接穩(wěn)壓器輸出和噪聲放大器時(shí)，需要使用短的桶形連接器，因?yàn)殚L(zhǎng)的軟電纜由于靜電效應(yīng)會(huì)引入誤差。

放大器輸出直接饋送到示波器中，以測(cè)量峰至峰值噪聲。如圖 10 所示，LT3042 的峰至峰值噪聲為 4µVP-P。同一穩(wěn)壓器的頻譜分析儀曲線 (如圖 11 所示) 顯示了在不同 SET 引腳電容時(shí)產(chǎn)生的噪聲。10Hz 至 100kHz RMS 噪聲作為 SET 引腳電容的函數(shù)顯示在圖 12 中。

圖 10：LT3042 在 10Hz 至 100kHz 帶寬上的噪聲。RMS 噪聲為 0.8μVRMS。

圖 11：噪聲頻譜密度曲線顯示了 LT3042 的 SET 引腳電容增大的影響

圖 12：在 10Hz 至 100kHz 帶寬上，SET 引腳電容增大，RMS 噪聲降低。

測(cè)量 RMS 噪聲要求更加仔細(xì)地選擇儀器。并不是所有 RMS 電壓表都“生而平等”，請(qǐng)查閱摘自《應(yīng)用指南 83》(Application Note 83) 文章 “Performance Verification of Low Noise, Low Dropout Regulators” (低壓差穩(wěn)壓器的低噪聲性能驗(yàn)證) 中附錄 C 的 “UNDERSTANDING AND SELECTING RMS VOLTMETERS”(了解和選擇 RMS 電壓表)，以了解有關(guān) RMS 電壓表的種類以及各種電壓表性能的信息。這份附錄列出了很多不同的 RMS 電壓表，并突出說(shuō)明了為什么有些電壓表有很大誤差，因而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果比實(shí)際情況更加樂(lè)觀的問(wèn)題。

測(cè)量穩(wěn)壓器電源抑制

與噪聲測(cè)量同等重要

線性穩(wěn)壓器的電源抑制與輸出電壓噪聲同樣至關(guān)重要。如果電源抑制性能不佳，即使噪聲最低的穩(wěn)壓器也會(huì)使不想要的信號(hào)通過(guò)，到達(dá)輸出，這樣的信號(hào)到達(dá)輸出后可能淹沒穩(wěn)壓器的噪聲。人們常常使用開關(guān)穩(wěn)壓器作為預(yù)穩(wěn)壓器，以提供效率、噪聲、瞬態(tài)響應(yīng)和輸出阻抗的最佳組合。

大多數(shù)最先進(jìn)的開關(guān)穩(wěn)壓器都在 100kHz 至 4MHz 頻率范圍內(nèi)工作。即使采用 ESR 最低的電容器，開關(guān)穩(wěn)壓器能量傳送的脈沖性也會(huì)導(dǎo)致在開關(guān)頻率上出現(xiàn)輸出電壓紋波。在噪聲敏感的視頻、通信以及其他類型的電路中，這些紋波信號(hào)會(huì)引起問(wèn)題。凌力爾特 2005 年 7 月發(fā)布了《應(yīng)用指南 101》(Application Note 101)，題為“Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs”(最大限度降低開關(guān)穩(wěn)壓器信號(hào)在線性穩(wěn)壓器輸出中的殘留)，文中已經(jīng)探討了這個(gè)問(wèn)題。

凌力爾特最近推出的線性穩(wěn)壓器之電源抑制為 80dB 及更大范圍。LT3042 在某些頻率上電源抑制接近 120dB。為了測(cè)試電源抑制，輸入必須保持在足夠低的幅度，以確保測(cè)試的是穩(wěn)壓器的小信號(hào)響應(yīng)而不是大信號(hào)響應(yīng)，當(dāng)然信號(hào)也必須足夠大，以在輸出端提供可測(cè)量的信號(hào)。此外，疊加了 AC 信號(hào)的輸入 DC 信號(hào)一定不能使穩(wěn)壓器產(chǎn)生壓差或進(jìn)入其他不想進(jìn)入的工作區(qū)。

驅(qū)動(dòng) DUT

測(cè)試穩(wěn)壓器電源抑制性能時(shí)，第一件必做之事就是提供一個(gè)將受到抑制的信號(hào)。這可不是僅將頻率發(fā)生器連接到穩(wěn)壓器上而已，而是復(fù)雜得多。AC 信號(hào)必須疊加在 DC 偏移之上，并能夠在加載情況下提供所需電流。

Jim Williams 開發(fā)了用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的的電路，如圖 13 所示。在這個(gè)電路中，DC 基準(zhǔn)電壓由 A2 產(chǎn)生，并在 A1 的負(fù)輸入端與 AC 信號(hào)疊加。A1 輸出驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓連接的三極管，而三極管與鎮(zhèn)流電阻器連接，可把這些電路組并聯(lián)以提供高達(dá) 5A 的輸出電流。

圖 13：驅(qū)動(dòng)器電路板使 AC 和 DC 電壓相加，以在頻率直至 10MHz 時(shí)提供數(shù)安培電流。

將這個(gè)電路連接到 DUT 時(shí)，需要提到的一個(gè)主要說(shuō)明是：穩(wěn)壓器不應(yīng)該使用輸入電容。第一個(gè)原因是，該電路沒有為驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載而優(yōu)化，可能產(chǎn)生振蕩。第二個(gè)原因是，這個(gè)電路不能吸取電流，必須有負(fù)載存在以給輸入電容器放電，尤其是在頻率增大時(shí)。在 10MHz 跨一個(gè) 1µF 電容器提供一個(gè) 50mVP-P 正弦信號(hào)時(shí)，需要超過(guò) 3A 充電和放電電流，以防止信號(hào)失真。如果在小輸出電流 (低于 100mA) 時(shí)進(jìn)行測(cè)量，那么就要預(yù)加載，以確保提供給穩(wěn)壓器的信號(hào)保真度。

未雨綢繆

當(dāng)穩(wěn)壓器具備很高的電源抑制時(shí)，就必須仔細(xì)考慮儀器的細(xì)節(jié)問(wèn)題。如果穩(wěn)壓器提供 100dB 電源抑制，那么 50mVP-P 輸入信號(hào)在輸出端就被降至 0.5µVP-P。可以提高輸入信號(hào)幅度，但在某些點(diǎn)上將發(fā)生從小信號(hào)響應(yīng)向大信號(hào)響應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

就一個(gè)具備很高電源抑制的穩(wěn)壓器而言，輸出信號(hào)的小幅度可與該器件的噪聲幅度相比，或者比器件的噪聲幅度還小。這建議我們應(yīng)該像放大噪聲一樣地放大信號(hào)，以能夠進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。即使這么做了，輸出信號(hào)也常常被噪聲淹沒。幸運(yùn)的是，新式示波器提供求取平均值的功能，使人們能夠從噪聲中抽取出信號(hào)。隨機(jī)噪聲的平均值為零。輸入信號(hào)提供所需的觸發(fā)信號(hào)。

無(wú)論信號(hào)是否被放大，測(cè)量電源抑制時(shí)，還可能出現(xiàn)其他一些問(wèn)題。輸入和輸出信號(hào)必須同時(shí)測(cè)量，人們需要知道輸入和輸出幅度，以確定該器件的抑制性能。測(cè)量配置的方框圖如圖 14 所示。

圖 14：電源抑制測(cè)量配置的方框圖顯示了地回路。將單端放大器轉(zhuǎn)換成差分放大器可解決地回路問(wèn)題。

值得一提的是，在這個(gè)方框圖中，存在可能破壞測(cè)量結(jié)果的地回路。第一個(gè)地回路是通過(guò)兩個(gè)示波器通道的公共地形成的。這個(gè)地回路從信號(hào)放大器中通過(guò)，回路中的任何信號(hào)都會(huì)破壞電源抑制測(cè)量結(jié)果，使測(cè)量結(jié)果不能反映實(shí)際性能。對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決辦法是，將信號(hào)放大器從單端電路變成全差分電路。這么做了以后，兩個(gè)回路都被斷開了，這樣就保證了測(cè)量保真度。第二個(gè)地回路 (圖 14 中沒有顯示) 通過(guò) AC 線路地到達(dá)第一個(gè)示波器通道。這個(gè)回路對(duì)誤差貢獻(xiàn)最小，因?yàn)橄啾戎滤行盘?hào)都是大信號(hào)。

用簡(jiǎn)單放大器實(shí)現(xiàn)差分輸入

一個(gè)簡(jiǎn)單放大器如圖 15 所示。這個(gè)放大器在輸入端使用了全差分增益級(jí)，增益為 40dB，其后是一個(gè)差分至單端轉(zhuǎn)換器，提供另外 20dB 增益。每個(gè)輸入端都有一個(gè) 200Hz 高通濾波器以隔離 DC。之所以選擇 LTC6409，是因?yàn)樵撈骷峁┖艽蟮?10GHz 增益帶寬積。第二級(jí)由 LT1818 組成，配置為一個(gè)差分至單端轉(zhuǎn)換器，增益為 20dB。

圖 15：簡(jiǎn)單的差分至單端放大器提供 60dB 增益

這個(gè)放大器組合的輸入?yún)⒖荚肼曔\(yùn)行大約 1.4nV/√Hz，這意味著我們預(yù)期應(yīng)該測(cè)得低于 2.2µVP-P 的噪聲。同時(shí)，我們預(yù)期穩(wěn)壓器本身有 4µVP-P 噪聲。我們預(yù)期在穩(wěn)壓器輸出端有 0.5µVP-P 信號(hào)，與該信號(hào)相比，這個(gè)噪聲完全淹沒了我們?cè)噲D測(cè)量的信號(hào)。不過(guò)，惟一的可取之處是噪聲的隨機(jī)性，噪聲的平均值為零：使用具備存儲(chǔ)器的新式示波器求取平均值后，就可得到隱藏在噪聲中的信號(hào)。

改進(jìn)差分放大器

極高性能線性穩(wěn)壓器測(cè)量變得更加棘手。輸出信號(hào)僅獲得 60dB 增益時(shí)，0.5µVP-P 信號(hào)就變成了 0.5mVP-P。這么小的幅度已經(jīng)接近很多高端示波器 1X 探頭的測(cè)量門限了。將線性穩(wěn)壓器輸入幅度提高 10 倍，會(huì)增加空間，但是如果穩(wěn)壓器抑制再增加 20dB，那么問(wèn)題就會(huì)再次出現(xiàn)。

圖 16 顯示了怎樣實(shí)現(xiàn)更高性能的放大器。該放大器基于圖 2 所示噪聲放大器和圖 15 所示差分至單端放大器。現(xiàn)在，每一級(jí)所用的 LT1818 換成了 LT1994 差分放大器，LT1994 向差分三極對(duì)管反饋信號(hào)，三極對(duì)管仍然由 THAT300 三極管陣列組成。第二個(gè)差分增益級(jí)由另一個(gè) LT1994 組成，之后通過(guò)第一個(gè) LT6232 轉(zhuǎn)換成單端測(cè)量電路。面向高通和巴特沃斯濾波器的后續(xù)各級(jí)與圖 2 中相同。電路響應(yīng)的校準(zhǔn)和驗(yàn)證與低噪聲放大器相同。

圖 16：改進(jìn)的放大器提供差分輸入和 80dB 增益

測(cè)量電源抑制的配置如圖 17 所示。所測(cè)得的 LT3042 穩(wěn)壓器的電源抑制如圖 18 所示。值得一提的是，該穩(wěn)壓器的電源抑制在 100Hz 時(shí)接近 120dB。在示波器上驗(yàn)證這個(gè)測(cè)量結(jié)果要求改進(jìn)的放大器提供 80dB 增益。

圖 17：測(cè)量電源抑制的配置。下方左邊是驅(qū)動(dòng)器電路板和 DUT，下方右邊是放大器電路板。電源和信號(hào)源未顯示。

圖 18：LT3042 的電源抑制曲線顯示，在接近 4MHz 頻率時(shí)，性能 >70dB。

其他測(cè)量方法

還可用其他方法和設(shè)備進(jìn)行電源抑制測(cè)量。鎖定的放大器用基準(zhǔn)信號(hào)在想要的頻率上提供同步檢測(cè)，以幫助測(cè)量小信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)分析儀還提供一個(gè)掃頻振蕩器，同時(shí)提供帶通功能，以測(cè)量輸入和輸出幅度，并計(jì)算電路的抑制性能。這些方法提供有效的測(cè)量結(jié)果，但是人們?nèi)匀恍枰?jǐn)慎對(duì)待電路連接并驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果。在示波器上檢查輸入和輸出信號(hào)是必做之事，信號(hào)幅度和波形會(huì)指明，所測(cè)試的穩(wěn)壓器是否被驅(qū)動(dòng)進(jìn)入了壓差狀態(tài)，或者小信號(hào)響應(yīng)是否已讓位于大信號(hào)響應(yīng)。

陷阱

與測(cè)量噪聲類似，測(cè)量電源抑制時(shí)，也有一些陷阱可能導(dǎo)致人們誤入歧途。對(duì)電路接地需要嚴(yán)加注意，使用星形接地方式很重要。測(cè)量電源抑制時(shí)所看到的某些影響，實(shí)際上似乎是反直覺的。

迄今為止，可靠的設(shè)計(jì)始終會(huì)在線性穩(wěn)壓器的輸入端包括一些電容，以保持電源阻抗在整個(gè)頻率范圍內(nèi)盡可能低。如果器件提供足夠高的電源抑制，那么實(shí)際上有可能增大輸出紋波。

考慮一個(gè)如圖 19 所示的電路，其中 LT3042 對(duì) LT8614 Silent Switcher® 穩(wěn)壓器進(jìn)行后穩(wěn)壓。在 500kHz 開關(guān)頻率上，LT8614 通過(guò)兩三英寸長(zhǎng)的銅質(zhì)電路板走線，向 LT3042 輸入端提供約 20mVP-P 紋波。在 LT8614 使用僅 22µF 的輸出電容器時(shí)，線性穩(wěn)壓器的輸出紋波僅為幾 µVP-P。當(dāng) LT3042 輸入端增加一個(gè) 4.7µF 電容器時(shí)，輸出紋波增大到約 75µVP-P，如圖 20 所示。應(yīng)該提到的是，就這些照片而言，帶寬限制在 20MHz，因?yàn)槟康氖秋@示開關(guān)頻率上的紋波，而不是高頻邊沿尖峰。

圖 19：用 LT3042 對(duì) LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器進(jìn)行后穩(wěn)壓。

(a) 在 LT3042 輸入端無(wú)需任何電容器

(b) 在 LT3042 輸入端有 4.7μF 電容器。

圖 20：LT3042 對(duì) LT8614 Silent Switcher 穩(wěn)壓器進(jìn)行后穩(wěn)壓 。兩張照片都是帶寬受限的，以忽略高頻尖峰。

增加輸入電容是怎樣降低穩(wěn)壓器電源抑制的? 答案與 LT3042 性能無(wú)關(guān)，而與電路板布局有關(guān)。LT3042 提供卓越和具備以電氣方式抑制輸入電源信號(hào)的能力。迄今為止，能否抑制這些信號(hào)一直是限制因素。現(xiàn)在，磁場(chǎng)成了罪魁禍?zhǔn)住?/p>

為了更好地理解這一點(diǎn)，圖 21 所示原理圖用一條綠色的實(shí)線突出顯示了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的一條 AC 電流通路。如果 LT3042 的輸入端有電容，那么 AC 電流也流過(guò)綠色虛線顯示的通路。LT3042 的輸入在所關(guān)注的頻率上呈現(xiàn)高阻抗特性，因此無(wú) AC 電流流入 LT3042。

圖 21：本原理圖突出顯示了 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 AC 電流回路和一些易受磁耦合影響 (附錄 B 的圖 B1) 的通路。組合使用鐵氧體珠、屏蔽以及調(diào)節(jié)物理距離的方法，以最大限度減小高頻尖峰 (附錄 B 的圖 B2)。電路板結(jié)構(gòu)來(lái)自附錄 B 的圖 B。

AC 電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將在附近的其他回路中引起電流，在變壓器中，繞組以同樣的方式耦合。在圖 21 中，兩個(gè)所關(guān)注的回路用藍(lán)色和紅色顯示。藍(lán)色回路由 CSET 和 RSET 形成，在誤差放大器輸入端產(chǎn)生紋波。由于 LT3042 的單位增益架構(gòu)，這個(gè)紋波被一直傳送到輸出端。紅色回路由輸出電容器和回看進(jìn)穩(wěn)壓器的阻抗 (以及附近的負(fù)載組件) 直接在穩(wěn)壓器輸出端產(chǎn)生紋波。

與直覺相反，去掉 LT3042 輸入端的電容會(huì)降低輸出紋波?？紤]到這不是信號(hào)的電饋通，而是磁場(chǎng)耦合，所以人們?cè)谠O(shè)計(jì)電路板時(shí)，必須考慮距離、屏蔽和回路方向。場(chǎng)強(qiáng)與距離和回路面積有關(guān)，最大限度減小回路面積 (不是靠采用輸入電容器) 和最大限度延長(zhǎng)距離 (僅通過(guò)使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出電容) 限制了加到敏感回路上的電流。

這表明，之前決定在信號(hào)驅(qū)動(dòng)器電路板的輸出端或穩(wěn)壓器輸入端不使用電容器是明智的。如果在穩(wěn)壓器輸入使用電容器，就增加了一個(gè)回路，從而會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)耦合進(jìn)輸出并導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果。穩(wěn)壓器電源抑制看起來(lái)會(huì)比實(shí)際情況差得多。

使用開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)遇到的另一個(gè)問(wèn)題是，不僅要去掉開關(guān)頻率紋波，還要去掉與開關(guān)邊沿有關(guān)的尖峰。有些電路的開關(guān)邊沿僅在幾納秒時(shí)間內(nèi)就過(guò)渡完畢，從而產(chǎn)生數(shù)百 MHz 頻率分量。這些頻率無(wú)法用簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器消除。走線電容和磁耦合等寄生效應(yīng)使得這些尖峰難以降低。請(qǐng)參閱凌力爾特《應(yīng)用指南 101》(Application Note 101)“Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs”(最大限度降低開關(guān)穩(wěn)壓器信號(hào)在線性穩(wěn)壓器輸出中的殘留)，以及附錄 B “控制高頻開關(guān)尖峰”，以獲得進(jìn)一步的信息。

結(jié)論

LT3042 等線性穩(wěn)壓器具備很高的性能，為敏感系統(tǒng)提供了噪聲極低的電源軌。驗(yàn)證這類器件的 DC 性能通常不是很棘手的任務(wù)。而在性能如此之高的情況下，諸如噪聲、電源抑制等關(guān)鍵參數(shù)不那么容易測(cè)量。就連測(cè)量電路、連接、電路板布局和設(shè)備中最不引人注意的細(xì)節(jié)都要格外注意。一度可能被忽視的微小誤差 (與待測(cè)信號(hào)相比) 現(xiàn)在卻成了一階誤差項(xiàng)。能夠提供高 PSRR 性能表明，信號(hào)不是通過(guò)器件本身而是通過(guò)磁耦合發(fā)送的。必須檢查每一個(gè)細(xì)節(jié)，以確保測(cè)量保真度，提供可靠的結(jié)果。

參考資料

1. Morrison, Ralph, “Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation”, Wiley-Interscience, 1986.

2. Ott, Henry W., “Noise Reduction Techniques in Electronic Systems”, Wiley-Interscience, 1976.

3. THAT 300 系列數(shù)據(jù)表，THAT 公司。

4. Williams, Jim, “775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference” (針對(duì)低噪聲電壓基準(zhǔn)的 775 毫微伏噪聲測(cè)量), 凌力爾特公司,《應(yīng)用指南 124》(Application Note 124)，2009 年 7 月。

5. Williams, Jim 和 Owen, Todd, “Performance Verification of Low Noise, Low Dropout Regulators” (低壓差穩(wěn)壓器的低噪聲性能驗(yàn)證), 凌力爾特公司《應(yīng)用指南 83》(Application Note 83)，2000 年 3月。

6. Patel, Amit, “Industry’s First 0.8µVRMS Noise LDO Has 79dB Power Supply Rejection Ratio at 1MHz”(業(yè)界首款具 0.8µVRMS 噪聲的 LDO 在 1MHz 時(shí)提供 79dB 電源抑制比), 凌力爾特公司 LT Journal of Analog Innovation，2015 年 4 月，第一頁(yè)至第七頁(yè)。

7. Williams, Jim, “Practical Circuitry for Measurement and Control Problems” (用于解決測(cè)量和控制問(wèn)題的實(shí)際電路), “Symmetrical White Gaussian Noise” (對(duì)稱的高斯白噪聲)，附錄 B，凌力爾特公司《應(yīng)用指南 61》(Application Note 61)，1994 年 8月，第 38 頁(yè)至第 39 頁(yè)。

8. Williams, Jim, “Minimizing Switching Regulator Residue in Linear Regulator Outputs” (最大限度降低開關(guān)穩(wěn)壓器信號(hào)在線性穩(wěn)壓器輸出中的殘留), 凌力爾特公司《應(yīng)用指南 101》(Application Note 101)，2005 年 7 月。

9. Metglas 2705M Technical Bulletin, Metglas 公司。

10. Metglas 2714A Technical Bulletin, Metglas 公司。

11. ZG-2 手冊(cè)，Magnetic Shield 公司。

12. Mu-2 MuMETAL 手冊(cè)，Magnetic Shield 公司。

13. Sandler, Steven 和 Hymowitz, Charles. “Capacitor Values: Don’t Believe the Label,” Power Electronics Technology, May 2007, pp. 22-27.

14. Sikula, J., J. Hlavka, J. Pavelka, V. Sedlakova, L. Grmela, M. Tacano, 和 S. Hashiguchi. “Low Frequency Noise of Tantalum Capacitors.” Active and Passive Electronic Components 25.2 (2002): 161-67. Web.

15. Kueck, Christian, “Power Supply Layout and EMI” (電源布局和 EMI), 凌力爾特公司《應(yīng)用指南 139》(Application Note 139)，2012 年 10 月。

附錄 A

用于磁場(chǎng)屏蔽的材料

鋁盒和銅盒常用來(lái)實(shí)現(xiàn) RF 屏蔽，以防止不想要的信號(hào)進(jìn)入敏感電路。這類屏蔽盒不會(huì)與磁場(chǎng)耦合，尤其是面對(duì)工作臺(tái)測(cè)試中所遇到的低頻時(shí)。薄的不銹鋼盒 (即使內(nèi)裝銅盒或鋁盒) 不會(huì)使磁場(chǎng)得到足夠的衰減。人們需要的是一種具備很高磁導(dǎo)率的材料，必須使磁通線在電路周圍改變方向，而不是允許磁通線通過(guò)電路。常見方法是采用多層相互之間由空氣隙隔開的屏蔽材料。每一層都幫助衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)在層之間設(shè)置一定的距離以進(jìn)一步降低場(chǎng)強(qiáng)。問(wèn)題在于需要嘗試著考慮各種材料的磁導(dǎo)率以及確定充分屏蔽電路免受磁場(chǎng)影響所需的厚度和配置。簡(jiǎn)單的不銹鋼盒會(huì)需要極厚的盒壁 (估計(jì)至少為 1/2’’ 厚)，以提供足夠的屏蔽。這會(huì)要求定制的焊接鋼盒，這種鋼盒一旦放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，可能就永遠(yuǎn)也不會(huì)挪動(dòng)了，因?yàn)樘亍Ｒ暫辖鸩牧系牟煌煌?，鋼的相?duì)磁導(dǎo)率在 400 至 2000 之間，而銅和鋁則非常接近 1。

具備極高磁導(dǎo)率的材料是實(shí)現(xiàn)屏蔽所需要的。Mu Metal 等高磁導(dǎo)率鎳合金在成型并經(jīng)過(guò)恰當(dāng)退火后，具備 20,000 至 50,000 的相對(duì)磁導(dǎo)率。Mu Metal 供應(yīng)商 Magnetic Shield 公司提供由 3 個(gè)嵌套圓筒形容器組成的測(cè)試箱，可以將敏感電路放入箱內(nèi)，以避免磁耦合問(wèn)題。這種測(cè)試箱很昂貴，不過(guò)卻是一種實(shí)現(xiàn)磁屏蔽的簡(jiǎn)便解決方案。如果自己制作屏蔽盒沒什么問(wèn)題，就可以購(gòu)買 Mu Metal 板，按照自己的要求切割制作。建議使用較厚的板，以實(shí)現(xiàn)最佳屏蔽，避免材料飽和及磁場(chǎng)侵入問(wèn)題。一定要注意，制作完成后，相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)下降，而且材料必須在富氫環(huán)境中恰當(dāng)?shù)赝嘶稹?/p>

另一種可能的材料是無(wú)定形合金，稱為 Metglas。Metglas 不像 Mu Metal 那樣是大塊板形材料，可供切割和制作，而是兩英寸寬、0.8 密爾厚的帶狀材料。使用這種材料時(shí)，將其重疊纏繞在電路板上，重疊層數(shù)以足夠防止不想要的磁場(chǎng)進(jìn)入電路板為準(zhǔn)。磁場(chǎng)穿透的深度往往僅為材料中任何小孔直徑的一倍，Metglass 合金視類型不同而不同，比 Mu Metal 的相對(duì)磁導(dǎo)率高得多。我們嘗試使用了 Metglas 2705M，這種材料澆鑄完成后，無(wú)需在富氫環(huán)境中用特殊方法退火，就可提供 290,000 的相對(duì)磁導(dǎo)率。如果使用退火箱，那么 Metglas 2714A 提供高達(dá) 1,000,000 的相對(duì)磁導(dǎo)率。用 Metglas 實(shí)現(xiàn)屏蔽的問(wèn)題在于 0.8 密爾的厚度，較薄的帶狀 Metglas 更易于飽和，需要多層纏繞才能實(shí)現(xiàn)有效屏蔽。

附錄 B

控制高頻開關(guān)尖峰

一些最新開關(guān)模式電源電路與其前幾代相比，開關(guān)轉(zhuǎn)換速度快得多。轉(zhuǎn)換速度提高有很多好處，例如效率提高、外部組件更小等。與這些快速轉(zhuǎn)換邊沿相伴而來(lái)的難題在于，需要最大限度減小加給及進(jìn)入敏感電路的有關(guān)尖峰。

現(xiàn)在，開關(guān)轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)提高，同時(shí)諧波分量頻率從數(shù)十 MHz 達(dá)到了接近 1GHz。RF 領(lǐng)域設(shè)計(jì)師將意識(shí)到處理這些信號(hào)的難處。在這么高的頻率上，組件寄生效應(yīng)起主導(dǎo)作用，走線成了傳輸線，還出現(xiàn)了針對(duì)電路板周圍發(fā)送和接收能量的天線。高頻分量通過(guò)兩種方式注入線性穩(wěn)壓器輸出：傳導(dǎo)和磁耦合。在 RF 領(lǐng)域解決這個(gè)問(wèn)題可以得到最好的效果。

傳導(dǎo)信號(hào)進(jìn)入穩(wěn)壓器并到達(dá)穩(wěn)壓器輸出。線性穩(wěn)壓器本身不能主動(dòng)抑制任何這類信號(hào)，穩(wěn)壓器的單位增益帶寬通常最大為 1MHz。穩(wěn)壓器從輸入到輸出有寄生電容，使高頻分量能夠通過(guò)寄生電容傳播。在這些頻率上，寄生電感和電阻減弱了輸出電容器的作用。

控制傳導(dǎo)尖峰的最佳方式是在穩(wěn)壓器輸入端使用鐵氧體珠。在穩(wěn)壓器工作頻率范圍內(nèi)，鐵氧體珠提供低損耗通路。隨著頻率上升到超出這個(gè)范圍，鐵氧體珠阻抗提高，因此限制了高頻能量的通過(guò)。

像控制傳導(dǎo)通路一樣，控制輻射信號(hào)通路以避免輻射信號(hào)到達(dá)輸出也需要注意細(xì)節(jié)。鐵氧體珠不會(huì)阻止輻射能量耦合進(jìn)穩(wěn)壓器輸出。屏蔽是一種好方法，有助于最大限度減少耦合進(jìn)線性穩(wěn)壓器輸出的高頻輻射分量。此外，在受高頻信號(hào)影響的組件之間提供隔離可以降低場(chǎng)強(qiáng)。

考慮一下高頻信號(hào)進(jìn)入輸出的兩條途徑，有助于為敏感電路設(shè)計(jì)出噪聲最小的電源。鐵氧體珠、屏蔽和距離相結(jié)合，將提供最佳的總體抑制。線性穩(wěn)壓器及其輸出電容器應(yīng)該用恰當(dāng)?shù)牟牧掀帘?，并放置在物理上距開關(guān)電源熱回路很遠(yuǎn)的地方。線性穩(wěn)壓器的輸入電容器應(yīng)該位于靠近開關(guān)電源的地方，而不是靠近線性穩(wěn)壓器。兩至 3 英寸的距離足夠減弱與通過(guò)電容器的 AC 電流有關(guān)的場(chǎng)。最后，鐵氧體珠應(yīng)該放置在開關(guān)電源和穩(wěn)壓器之間。鐵氧體珠放在輸入電容器和穩(wěn)壓器之間沒有有害影響。圖 B1 顯示電路連接原理圖，圖 B2 突出顯示了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。

圖 B1

INPUT FROM SWITCHING REGULATOR：來(lái)自開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入

FERRITE BEAD：鐵氧體珠

KEEP 2’’ TO 3’’ AWAY FROM REGULATOR：與穩(wěn)壓器保持 2 英寸至 3 英寸的距離

SHIELD：屏蔽

CONNECT TO GROUND：接地

LINEAR REGULATOR：線性穩(wěn)壓器

TO SENSITIVE LOAD：至敏感負(fù)載

圖 B2

INPUT CAPACITOR：輸入電容器

FERRITE BEAD：鐵氧體珠

LINEAR REGULATOR：線性穩(wěn)壓器

SHIELD：屏蔽

OUTPUT CAPACITOR：輸出電容器