本應(yīng)用筆記介紹了一種測量精密、低噪聲基準(zhǔn)電壓源噪聲的方法。該方法利用兩個(gè)相同的基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)差分放大器來測量一個(gè)基準(zhǔn)電壓源的超低（0.1Hz至10Hz）噪聲。使用這種方法，由于在差分放大器之后使用高通濾波器，因此無需在基準(zhǔn)電壓后作為高通濾波器一部分的昂貴元件。

通過使用兩個(gè)相同的基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)差分放大器來測量一個(gè)基準(zhǔn)電壓源的超低（0.1Hz至10Hz）噪聲，可以消除作為基準(zhǔn)電壓源后高通濾波器一部分所需的昂貴元件。

基準(zhǔn)電壓源的噪聲規(guī)格

基準(zhǔn)電壓源的電壓噪聲和溫度漂移通常決定了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）的測量限值。基準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)手冊通常將噪聲分為兩個(gè)單獨(dú)的類別：1） 低頻（0.1Hz至10Hz）為μVP-P;2） 寬帶噪聲為 μV有效值對于給定頻段（例如，10Hz至1kHz），或頻譜電壓噪聲密度在噪聲頻譜密度達(dá)到其平坦度的頻率下，指定為nV / √Hz。

數(shù)據(jù)手冊分別規(guī)定了低頻和寬帶噪聲，因?yàn)樵谙到y(tǒng)應(yīng)用中使用低通濾波可以大大降低后者。然而，低頻噪聲的濾波既麻煩又不實(shí)用，因?yàn)樾枰箅娙輥頌V除低頻。

基準(zhǔn)電壓源噪聲是隨機(jī)信號(hào)，也會(huì)影響輸出電壓精度。例如，如果有 1mVP-P輸出噪聲，對于3V基準(zhǔn)，噪聲轉(zhuǎn)換為0.033%電壓隨機(jī)性，從而影響基準(zhǔn)的初始精度。本應(yīng)用筆記介紹了一種簡單有效的方法來測量和降低基準(zhǔn)電壓源中的低頻噪聲。該應(yīng)用示例旨在實(shí)現(xiàn)低于1μV的低頻噪聲（0.1Hz至10Hz）P-P.

測量基準(zhǔn)電壓源的噪聲

測量基準(zhǔn)電壓源噪聲的標(biāo)準(zhǔn)方法如圖1所示。基準(zhǔn)電壓源的輸出饋入高通濾波器，以通過0.1Hz及以上的頻率。高通濾波器還執(zhí)行兩項(xiàng)有益的任務(wù)：提供基準(zhǔn)電壓輸出的直流阻斷，并僅允許高于高通濾波器轉(zhuǎn)折頻率的交流信號(hào)成分到達(dá)低噪聲前置放大器。

圖1.測量基準(zhǔn)電壓源噪聲的典型設(shè)置。

有些設(shè)計(jì)考慮因素會(huì)影響甚至限制上述電路的性能：

它需要一個(gè)大、低漏電、高質(zhì)量和昂貴的電容器來實(shí)現(xiàn)高通濾波器的較低截止頻率。

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相加，決定了該電阻引入的低頻噪聲;因此，較小的電阻將產(chǎn)生較低的噪聲。但是，較低的電阻需要較大的電容才能實(shí)現(xiàn)高通濾波器的截止頻率。

高通濾波器引入的噪聲至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)增加前置放大器的輸入電壓噪聲。前置放大器輸入端產(chǎn)生的總噪聲必須遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)電壓源的噪聲。

替代噪聲測量設(shè)置

圖2設(shè)置采用兩個(gè)相同的基準(zhǔn)電壓源來精確確定其低頻噪聲。這是一種測量噪聲的間接方法。它的工作原理是，假設(shè)兩個(gè)不同的單元（來自同一制造批次）表現(xiàn)出非常相似的噪聲性能，而它們的噪聲是不相關(guān)的。

圖2.用于評(píng)估基準(zhǔn)電壓源噪聲性能的建議設(shè)置。

在我們的實(shí)驗(yàn)中，該設(shè)置采用一對MAX6126超低噪聲電壓基準(zhǔn)。圖2詳細(xì)設(shè)置中的虛線顯示，所有測試電路都與法拉第金屬籠中的外部環(huán)境隔離。我們詳細(xì)的工作臺(tái)設(shè)置如圖6和圖7所示。

每個(gè)基準(zhǔn)電壓源的不相關(guān)噪聲相加，前置放大器輸入端產(chǎn)生的總噪聲可以表示為公式1：

其中，eN是兩個(gè)基準(zhǔn)電壓源的總噪聲之和，
e1，
e2是與每個(gè)基準(zhǔn)電壓源相關(guān)的噪聲。

如果我們假設(shè)兩個(gè)相同的基準(zhǔn)電壓源具有相同的噪聲性能，則e1= e2= e，則等式 1 得到

等式 2

：

為了確定一個(gè)基準(zhǔn)電壓源貢獻(xiàn)的噪聲，將根據(jù)上述公式使用校正系數(shù)。 設(shè)置中差分放大器的總輸入噪聲（e在） 用公式 3 計(jì)算。噪聲信號(hào)e0包含電路噪聲源（基準(zhǔn)電壓源除外）的貢獻(xiàn)。假設(shè)所有噪聲源都不相關(guān)：

總輸入噪聲被放大和濾波。產(chǎn)生的噪聲信號(hào)e外應(yīng)用于頻譜分析儀的輸入端。該噪聲信號(hào)可以用公式4表示，其中G和F分別是差分放大器和濾波器的傳遞函數(shù)：

使用公式3和4的結(jié)果，我們可以表示設(shè)置輸出噪聲信號(hào)e外如下式5所示：

我們可以通過移除基準(zhǔn)電壓源并將差分放大器輸入接地來單獨(dú)測量設(shè)置噪聲。在這種情況下，輸出噪聲信號(hào)e外0 僅是 e0 的結(jié)果。可以表示為公式6：

根據(jù)公式5和6的結(jié)果，我們可以計(jì)算出參考噪聲電壓，如下公式7所示：

設(shè)置的傳遞函數(shù)（G × F）可以使用網(wǎng)絡(luò)分析儀輕松評(píng)估。

MAX6126具有降噪引腳NR，可將外部電容接地。該電容與片內(nèi)電阻（典型值為20kΩ）配合產(chǎn)生一個(gè)低通濾波器，從而降低內(nèi)部基準(zhǔn)的噪聲。使用一個(gè)0.1μF降噪電容，我們可以濾除頻率高于100Hz的頻譜分量。在本應(yīng)用筆記中，我們展示了一個(gè)100μF降噪電容來降低1/f噪聲（0.1Hz至10Hz），因?yàn)闉V波器截止頻率≈0.1Hz。

選擇MAX9632運(yùn)算放大器是因?yàn)樗哂谐驮肼暎?/f和寬帶。MAX9632采用差分放大器配置。差分電壓增益由匹配良好的5KΩ和50Ω電阻之比決定。選擇這些0.01%匹配電阻是為了改善CMRR性能，從而抑制外部RF和/或AC線路信號(hào)的寄生耦合注入的不需要的共模噪聲。使用100V/V的增益，但如果需要，可以設(shè)置得更高。但是，差分放大器帶寬會(huì)降低，因?yàn)閹?= GBW/增益。

差分放大器的輸出施加于高通濾波器。該濾波器允許根據(jù)電阻和電容值正確設(shè)置濾波器截止頻率。100μF 和 50kΩ 的組合用于通過 0.03Hz 或更高的頻率。在低噪聲前置放大器之后使用高通濾波器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在我們可以使用通用電容器和電阻元件，因?yàn)樗鼈兊脑肼暡皇悄敲粗匾驗(yàn)闉V波器放置在增益級(jí)之后。此外，我們可以根據(jù)需要自定義濾波器截止頻率。需要注意的是，信號(hào)分析儀輸入設(shè)置為直流耦合模式。因此，測量不受信號(hào)分析儀中交流耦合模式的高通濾波器頻率轉(zhuǎn)折的限制。

信號(hào)鏈的頻率響應(yīng)（圖3）

下圖3所示的設(shè)置用于評(píng)估圖2中噪聲測量設(shè)置的頻率響應(yīng)。在這種情況下，測試信號(hào)施加到差分放大器的一個(gè)輸入，而另一個(gè)輸入連接到地。

圖3.測試設(shè)置（對應(yīng)于圖2）以測量頻率響應(yīng)。

頻率響應(yīng)函數(shù)為G×F（見上文公式7）。圖4顯示，在低頻段（0.1Hz至10Hz）內(nèi)，我們可以假設(shè)輸出端的噪聲增加了40dB或100V/V。 由于0.1Hz和10Hz是所用外部帶通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率，因此它們是增益響應(yīng)上的-3dB點(diǎn)。

圖4.噪聲測量設(shè)置的交流增益頻率響應(yīng)（G × F）。

圖4顯示，在0.1HZ至10Hz頻率頻帶內(nèi)，可以安全地假設(shè)折合到輸出端的噪聲將增加40dB或100V/V。 圖5顯示了校準(zhǔn)噪聲的時(shí)域輸出設(shè)置。設(shè)置輸入接地。輸出噪聲記錄在64s時(shí)隙內(nèi)，明顯超過10秒，相當(dāng)于頻域中的0.1Hz。這很有用，因?yàn)樗砻髟?64 秒總時(shí)間內(nèi)任何 10s 窗口的峰峰值幾乎沒有變化。

圖5.校準(zhǔn)噪聲eout0的時(shí)域設(shè)置（參見公式6）。

圖6顯示了工作臺(tái)設(shè)置和所用設(shè)備的圖片。圖 7 是設(shè)置的詳細(xì)信息。

圖6.詳細(xì)工作臺(tái)設(shè)置的圖片。

圖7.法拉第籠內(nèi)的設(shè)置如圖6所示。

基準(zhǔn)電壓低頻噪聲（0.1Hz至10Hz）測量

圖8所示為兩個(gè)MAX6126單元對應(yīng)的時(shí)域輸出噪聲。測量設(shè)置如上圖2所示。與設(shè)置校準(zhǔn)噪聲一樣，輸出噪聲記錄在64s時(shí)隙內(nèi)。

圖8.使用兩個(gè)MAX6126單元設(shè)置輸出噪聲（請參閱圖 2 中的測試設(shè)置。

下面的公式7用于計(jì)算一個(gè)基準(zhǔn)電壓源貢獻(xiàn)的噪聲：

e2= （e外2， D外02）/（2 × 克 × F）

√e外2= 130μVP-P

√e外02= 22.4μVP-P

G × F = 100V/V 或 40dB

將這些結(jié)果代入上圖所示的公式7，得到：= 0.9055μVP-P不帶校正項(xiàng)（e外02） 是 e = 0.919μVP-P.因此，與基準(zhǔn)電壓噪聲相比，設(shè)置校準(zhǔn)噪聲可以忽略不計(jì)。

用于基準(zhǔn)電壓源的降噪（NR）電容器的“更大”優(yōu)勢

在下面的圖9中，圖2設(shè)置中使用的NR電容器更改為從Digikey? Distribution購買的100μF（X5R，10V，1206尺寸）電容器。這種大阻值電容器可改善 0.1Hz 至 10Hz 的噪聲（圖 10）。

圖9.MAX6126噪聲設(shè)置采用100μF NR電容。

圖 10.測試設(shè)置的輸出噪聲如圖9所示。

再次使用公式7來計(jì)算一個(gè)基準(zhǔn)電壓源貢獻(xiàn)的噪聲：

e2= （e外2， D外02）/（2 × 克 × F）

√e外2= 84.6μVP-P

√e外02= 22.4μVP-P

G × F = 100V/V 或 40dB

將這些結(jié)果代入如上所示的公式7，得到：= 0.5769μVP-P.

不帶校正項(xiàng)（e外02） 是 e = 0.5982μVP-P.因此，與基準(zhǔn)電壓噪聲相比，設(shè)置校準(zhǔn)噪聲可以忽略不計(jì)。

0.1Hz至10Hz噪聲測量，采用競爭對手的基準(zhǔn)電壓源

圖11顯示了使用兩個(gè)單元的具有相同測試設(shè)置（參見圖9）的競爭基準(zhǔn)電壓源的性能。該 C負(fù)荷替換為10μF，而不是MAX6126設(shè)置中使用的0.1μF。競爭部分在C時(shí)表現(xiàn)出最佳的噪聲性能負(fù)荷= 10μF。

圖 11.使用競爭器件和C設(shè)置輸出噪聲負(fù)荷=10μF.

再次使用公式7來計(jì)算一個(gè)基準(zhǔn)電壓源貢獻(xiàn)的噪聲：

e2= （e外2， D外02）/（2 × 克 × F）

√e外2= 84.7μVP-P

√e外02= 22.4μVP-P

G × F = 100V/V 或 40dB

將這些結(jié)果代入公式7得到：e = 0.5776μVP-P.不帶校正項(xiàng)（e外02） 是 e = 0.5989μVP-P.因此，與基準(zhǔn)電壓噪聲相比，設(shè)置校準(zhǔn)噪聲可以忽略不計(jì)。

MAX6126輸出電壓溫度漂移（NR電容）

我們已經(jīng)證明，當(dāng)使用大阻值NR電容時(shí)，MAX6126的0.1Hz至10Hz噪聲顯著降低。但是，我們需要確保基準(zhǔn)輸出電壓溫度漂移受電容泄漏的影響可以忽略不計(jì)（連接在NR和GND引腳之間）。圖12顯示了MAX6126在以下情況下的溫度漂移性能：無電容、0.1μF 50V （C0805C104J5RAC7800）和100μF 10V （C3216X5R1A107M160AC）。

圖 12.V外（T） –V外（25°C）：MAX6126在NR引腳上放置3個(gè)電容時(shí)的輸出電壓溫度漂移。

總結(jié)

基準(zhǔn)電壓輸出直接連接到差分放大器的輸入端（無需隔直）。這種設(shè)置不需要交流耦合前端解決方案所要求的昂貴的低漏電和低閃爍噪聲電阻器來用于高通濾波器。

在傳統(tǒng)方法（見圖1）中，需要高通濾波器將基準(zhǔn)輸出電壓與前置放大器輸入進(jìn)行交流耦合。與高通濾波器元件相關(guān)的噪聲必須遠(yuǎn)低于要測量的基準(zhǔn)電壓噪聲。此外，濾波器電阻兩端的噪聲電壓由前端前置放大器輸入端的噪聲電流和電容器漏噪聲電流產(chǎn)生。前置放大器的輸入電壓噪聲加起來就是上述前端噪聲分量。

圖2中提出的電路可以測量超低1/f頻率噪聲（<1μV）P-P，0.1Hz至10Hz）的電壓基準(zhǔn)，通過使用兩個(gè)相同的部分。此外，我們假設(shè)這些部件表現(xiàn)出不相關(guān)的噪聲。另一種方法是使用第二個(gè)較低噪聲基準(zhǔn)電壓源，以便可以輕松地從兩個(gè)基準(zhǔn)電壓源的總和噪聲中減去其噪聲。

我們已經(jīng)表明，使用100μF降噪電容（連接在NR和GND引腳之間）可將MAX6126的低頻噪聲從0.9μV大幅降低。P-P至 0.6μVP-P.與大NR電容相關(guān)的缺點(diǎn)是上電建立時(shí)間要長得多（≈10秒）。

最后，CNR = 100μF的MAX6126具有與競爭產(chǎn)品相同的0.1Hz至10Hz噪聲，但其靜態(tài)電流幾乎低一個(gè)數(shù)量級(jí)，為0.4mA，而5mA則具有顯著節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。

MAX9632噪聲性能

圖13、14和15給出了本應(yīng)用筆記中用作前置放大器的MAX9632的噪聲性能。這些數(shù)據(jù)應(yīng)向讀者說明為什么選擇極低噪聲放大器對應(yīng)用至關(guān)重要。

圖 13.MAX9632的0.1Hz至10Hz噪聲性能（參見MAX9632數(shù)據(jù)資料）。

圖 14.MAX9632的輸入電壓噪聲密度性能（參見MAX9632數(shù)據(jù)資料）

圖 15.MAX9632的輸入電流噪聲密度性能（參見MAX9632數(shù)據(jù)資料）。

該方法使用兩個(gè)相同的基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)差分放大器測量高精度、低噪聲基準(zhǔn)電壓源的噪聲。使用高通濾波器可消除原本需要的昂貴元件。

審核編輯：郭婷