引言

在很多電路應用中，無噪聲、良好穩(wěn)定的電源對于實現(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) 會迅速響應電源的微小變化。鎖相環(huán) (PLL) 需要穩(wěn)定的電源，因為電源上的信號會直接轉變成輸出的相位噪聲。RF 放大器需要無噪聲電源，因為這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形式出現(xiàn)，降低了信噪比。低噪聲放大器和模數(shù)轉換器 (ADC) 不具備無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)定運行呢?

電源一旦搭建完畢就可以確定，對于其應用而言，電源是否具有足夠低的噪聲。振蕩器的相位噪聲可以測量，然后，相對于用一個已知和性能良好的電源實現(xiàn)之結果，對測量結果進行比較。還要檢查 ADC，以確保得到最多位數(shù)。這些測量工作比較難，需要耗費大量時間，如果可不進行費用高昂的試驗就可確保噪聲足夠低，那會更好。

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給開關穩(wěn)壓器留下剩余信號或帶來其他不想要的信號，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，那么穩(wěn)壓器的噪聲即使極低，也是沒有價值的。

測量輸出電壓噪聲

靜噪不是新鮮事

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

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。回顧《應用指南 83》中的電路可以看出，輸入?yún)⒖荚肼晫訛? 0.5µVRMS，當測量低至 4µVRMS 的噪聲時，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，因為穩(wěn)壓器本身的工作噪聲僅略高于測量電路。這相當于幾乎高達 20% 的誤差，從而使測量電路成為過于重要的因素，以至于不能有把握地測量信號。

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

進行什么樣的測量?

我們現(xiàn)在對儀器要求的噪聲層已有所了解，但是還有一個問題，即關鍵頻率范圍以及用什么儀器測量所產(chǎn)生的噪聲。為了測量噪聲頻譜密度，可以簡單地通過低噪聲增益級 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量中隔離出去。如果想測量峰至峰值或 RMS 噪聲，那么在低噪聲增益級上要確保帶阻，以確保僅測量在想要的帶寬內的信號。

常用的寬帶噪聲測量頻率范圍為 10Hz 至 100kHz。這個范圍包括音頻頻帶，可確保通過 RF 傳送的基帶數(shù)據(jù)產(chǎn)生最小的邊帶信號。鎖相環(huán)中使用的低噪聲穩(wěn)壓器和高準確度儀表要求在較高的頻率上進行測量 (高達 1MHz 及以上)，因此我們不應該將自己限制到僅 100kHz 范圍。理想情況下，帶阻會在想要的頻率上實現(xiàn)絕對的磚墻式濾波，但電路設計的現(xiàn)實使我們無法實現(xiàn)這樣的效果。選擇較高階的巴特沃斯 (Butterworth) 濾波器, 以保持所關注頻率范圍內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%。更高階的濾波器會增加不必要的復雜性和成本，所帶來的性能改進卻很小。4 階濾波器的誤差加上輸入?yún)⒖荚肼曀�引入的誤差，若要以 5% 內的誤差進行測量，則要求來自放大器的輸入?yún)⒖荚肼曋�最大誤差不超過 1%。

電路增益也必須考慮。如果增益太低，測量儀器的噪聲會加進來，像放大器的輸入噪聲一樣，損害測量結果的準確性。同時，儀器也許不夠靈敏，無法提供可靠的測量結果。就 RMS 噪聲測量而言，HP3400A RMS 電壓表的底部范圍為 1mV，因此 60dB 是絕對最低增益�；�于目前可獲得的商用頻譜分析儀 (而且可從二手市場獲得) 之噪聲層數(shù)據(jù)，人們決定 80dB 時會有最佳的工作表現(xiàn)。