電路中的噪聲通常是敵人，任何自尊電路都應輸出盡可能少的噪聲。然而，有些情況下，沒有其他信號的充分表征的噪聲源完全是所需的輸出。

電路特性就是這種情況。許多電路的輸出可以通過在一系列頻率上掃描輸入信號并觀察設(shè)計的響應來表征。輸入掃描可以由離散輸入頻率或掃頻正弦組成。極低頻正弦波（低于10 Hz）難以干凈地產(chǎn)生。處理器，DAC和一些復雜，精確的濾波可以產(chǎn)生相對干凈的正弦波，但是對于每個頻率步進，系統(tǒng)必須穩(wěn)定，使得具有許多頻率的連續(xù)全掃描的慢速工作。測試較少的離散頻率可能會更快，但會增加在高Q現(xiàn)象所在的臨界頻率上跳過的風險。

白噪聲發(fā)生器比掃頻正弦波更簡單，更快，因為它可以在相同幅度下同時有效地產(chǎn)生所有頻率。在被測設(shè)備（DUT）的輸入端施加白噪聲可以快速生成整個頻率范圍內(nèi)的頻率響應概覽。在這種情況下，不需要昂貴或復雜的掃頻正弦波發(fā)生器。只需將DUT輸出連接到頻譜分析儀即可觀看。使用更多的平均值和更長的采集時間可在感興趣的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生更準確的輸出響應。

DUT對白噪聲的預期響應是頻率形噪聲。以這種方式使用白噪聲可以快速暴露出意外的行為，例如奇怪的頻率雜散，奇怪的諧波和不期望的頻率響應偽影。

此外，白噪聲發(fā)生器允許細心的工程師測試測試儀。測量頻率響應的實驗室設(shè)備在測量已知的扁平白噪聲發(fā)生器時應產(chǎn)生平坦的噪聲分布。

在實際應用方面，白噪聲發(fā)生器易于使用，小巧，適合緊湊的實驗室設(shè)置，便于現(xiàn)場測量，價格低廉。具有無數(shù)設(shè)置的高質(zhì)量信號發(fā)生器具有極好的通用性。但是，多功能性會妨礙快速的頻率響應測量。精心設(shè)計的白噪聲發(fā)生器不需要控制，但可產(chǎn)生完全可預測的輸出。

噪聲討論

電阻熱噪聲，有時稱為約翰遜噪聲或奈奎斯特噪聲，是由電阻器內(nèi)電荷載流子的熱攪動引起的。該噪聲近似為白色，具有近似高斯分布。在電學術(shù)語中，噪聲電壓密度由

給出

V NOISE =√（4k B TR）

其中k B 是玻爾茲曼常數(shù)，T是以開爾文為單位的溫度，R是阻力。噪聲電壓來自流過基本電阻的電荷的隨機運動，一種R×I NOISE 。表1顯示了20°C的實例。

然后，一個10MΩ電阻表示402 nV /√Hz寬帶電壓噪聲增益電阻源性噪聲源作為實驗室測試噪聲源相當穩(wěn)定，因為R和T變化只會影響平方根噪聲。例如，從20°變化6°C C是293kΩ到299kΩ的變化。由于噪聲密度與溫度的平方根成正比，因此6°C溫度的變化導致1％的噪聲密度變化相對較小。同樣，電阻為2％電阻變化導致1％的噪聲密度變化。

考慮圖1：10MΩ電阻R1在運算放大器的正端產(chǎn)生白色高斯噪聲。電阻R2和R3增加噪聲電壓到電容器C1濾除斬波放大器充電毛刺，輸出為10μV/√Hz白噪聲信號。

增益（1 + R2 / R3）為高電平，本例為21 V / V.

即使R2為高電平（1MΩ），R2的噪聲與增益R1噪聲相比也是如此是無關(guān)緊要的。

電路的放大器必須具有足夠低的輸入?yún)⒖茧妷涸肼暎允筊1作為噪聲源占主導地位。原因是：電阻噪聲應該主導電路的整體精度，而不是放大器。電路的放大器必須具有足夠低的輸入?yún)⒖?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流噪聲，以避免（I N ×R2）接近（R1噪聲×增益）出于同樣的原因。

白噪聲發(fā)生器可以接受多少放大器電壓噪聲？

表2顯示了添加獨立源時噪聲的增加。從402nV /√Hz到502nV /√Hz的變化僅為1.9dB，對數(shù)伏特或0.96功率dB。運放噪聲約為電阻噪聲的50％，運算放大器V NOISE 的5％不確定性會使輸出噪聲密度僅變化1％。

白噪聲發(fā)生器只能使用沒有噪聲產(chǎn)生電阻的運算放大器。這樣的運算放大器在其輸入端必須具有平坦的噪聲分布。然而，噪聲電壓通常不能精確定義，并且在生產(chǎn)，電壓和溫度上具有很大的分布。

其他白噪聲電路可能會運行基于具有遠低于可預測特性的齊納二極管。然而，特別是在低電壓（<5 V）下，尋找具有μA電流的穩(wěn)定噪聲的最佳齊納二極管可能是困難的。

一些高端白噪聲發(fā)生器基于長偽隨機二進制序列（PRBS）和特殊濾波器。使用小型控制器和DAC可能就足夠了;但是，確保DAC不會產(chǎn)生建立毛刺，諧波或互調(diào)產(chǎn)品，這對經(jīng)驗豐富的工程師來說是必不可少的。此外，選擇最合適的PRBS序列會增加復雜性和不確定性。

低功耗零漂移解決方案

這個項目有兩個設(shè)計目標：

易于使用的白噪聲發(fā)生器必須是便攜式的;也就是說，電池供電，這意味著微功率電子設(shè)備。

即使在低于0.1 Hz及以下的低頻 - ，發(fā)電機也必須提供均勻的噪聲輸出。

考慮前面的噪聲討論和這些關(guān)鍵限制因素，LTC2063低功耗零漂移運算放大器符合要求。

10MΩ電阻的噪聲電壓為402 nV /√Hz; LTC2063約為一半。 10MΩ電阻的噪聲電流為40 fA /√Hz; LTC2063不到一半。 LTC2063非常適合電池應用，因為其典型電源電流為1.4μA，總電源電壓可降至1.7 V（額定電壓為1.8 V）。由于定義的低頻測量需要較長的建立時間，因此該發(fā)電機必須長時間保持電池供電。

LTC2063輸入的噪聲密度約為200 nV /√Hz，噪聲在頻率范圍內(nèi)（±0.5 dB內(nèi)）可預測且平坦。假設(shè)LTC2063的噪聲為熱噪聲的50％，運算放大器電壓噪聲變化為5％，則輸出噪聲密度僅變化1％。

零漂移運算放大器的1 / f噪聲沒有設(shè)計。有些比其他更好，特別是對于電流噪聲，更常見的是寬帶規(guī)格是錯誤的，或者1 / f噪聲遠高于數(shù)據(jù)表中建議的噪聲。對于某些零漂移運算放大器，數(shù)據(jù)表噪聲曲線不會下降到mHz頻率區(qū)域，可能會掩蓋1 / f噪聲。斬波穩(wěn)定運算放大器可以解決方案，使噪聲在非常低的頻率下保持平坦。也就是說，高頻噪聲沖擊和開關(guān)噪聲不得破壞性能。此處顯示的數(shù)據(jù)支持LTC2063在面對這些挑戰(zhàn)時的使用。

電路描述

薄膜R1（Vishay / Beyschlag MMA020410MΩ）產(chǎn)生大部分噪音。 MMA0204是少數(shù)10MΩ選項之一，可將高品質(zhì)與低成本相結(jié)合。原則上，R1可以是任何10MΩ，因為信號電流非常小，因此1 / f噪聲可以忽略不計。最好避免使用低成本厚膜薄膜，使其具有可疑精度或穩(wěn)定性，對于該發(fā)生器的主要元件。

為獲得最佳精度和長期穩(wěn)定性，R2，R3或R S < / sub>可以是0.1％的薄膜 - 例如，TE CPF0603。 C2 / C3可能是大多數(shù)電介質(zhì)之一; C0G可用于保證低漏電流。

實現(xiàn)細節(jié)

應最小化環(huán)路區(qū)域R1 / C1 / R3，以獲得最佳EMI抑制。此外，R1 / C1應該非常好地屏蔽電場，這將在 EMI注意事項部分進一步討論。雖然并不重要，但R1應避免溫度變化較大。通過良好的EMI屏蔽，熱屏蔽通常是足夠的。

應避免VCC范圍的LTC2063軌到軌輸入電壓轉(zhuǎn)換區(qū)域，因為交叉可能導致更高，更不穩(wěn)定的噪聲。為獲得最佳效果，對于V +使用至少1.1 V，輸入為0共模。

注意，10kΩ的R S 可能看起來很高，但微功率LTC2063具有高輸出阻抗;甚至10kΩ也不能使LTC2063與其輸出端的負載電容完全分離。對于這種白噪聲發(fā)生器電路，一些導致峰值的輸出電容可能是設(shè)計特征而不是危險。

輸出為10kΩR S 和50 nF C X 接地。該電容C X 將與LTC2063電路相互作用，導致頻率響應出現(xiàn)一些峰值。這種峰值可用于擴展發(fā)電機的扁平帶寬，這與揚聲器中的端口孔試圖擴展低端的方式非常相似。假設(shè)高Z負載（>100kΩ），因為較低的Z負載會顯著降低輸出電平，并且還可能影響峰值。

可選調(diào)整

多個IC參數(shù)（例如，R OUT 和GBW）會影響高頻限制下的平坦度。如果不使用信號分析儀，C X 的推薦值為47 nF，通常會產(chǎn)生200 Hz至300 Hz（-1 dB）的帶寬。

然而，C X 可以針對平坦度或帶寬進行優(yōu)化，典型的是C X = 30 nF至50 nF。要獲得更寬的帶寬和更高的峰值，請使用更小的C X 。要獲得更加阻尼的響應，請使用更大的C X 。

關(guān)鍵IC參數(shù)與運算放大器電源電流有關(guān)，低電源電流部件可能需要稍大一些C X ，而具有高電源電流的部件最有可能需要小于30 nF而實現(xiàn)更寬平面帶寬。

此處顯示的圖表突出顯示C X 值如何影響閉環(huán)頻率響應。

測量

輸出噪聲密度與C X （R S =10kΩ，±2.5 V電源）如圖4所示輸出RC濾波器可有效消除時鐘噪聲。該圖顯示了C X = 0和C X = 2.2 nF / 10 nF / 47 nF / 68 nF的輸出與頻率的關(guān)系。

C X = 2.2 nF表現(xiàn)出輕微的峰值，而峰值對于C X = 10 nF最強，對于較大的C X 逐漸減小。 C X = 68 nF的跡線顯示沒有峰值，但明顯降低了平坦帶寬。最好的結(jié)果是C X ~47 nF;時鐘噪聲比信號電平低三個數(shù)量級。由于垂直分辨率有限，不可能精確地判斷輸出幅度與頻率的平坦度。該圖是使用±2.5 V電池供電，但設(shè)計允許使用兩個紐扣電池（約±1.5 V）。

圖5顯示了在Y軸上放大的平坦度。對于許多應用，1 dB內(nèi)的平坦度足以使用，<0.5 dB是示例性的。這里，C X = 50 nF最好（R S =10kΩ，V SUPPLY ±1.5 V）; C X = 45 nF，盡管55 nF是可接受的。

高分辨率平坦度測量需要時間;對于該圖（10Hz至1kHz，1000個平均值），每個跡線約20分鐘。標準溶液使用C X = 50 nF。顯示的43 nF，47 nF和56 nF的跡線，所有C S <0.1％公差，顯示出與最佳平坦度的小但可見的偏差。添加了C X = 0的橙色跡線，表明峰值增加了平坦帶寬（Δ= 0.5 dB，從230 Hz到380 Hz）。

串聯(lián)2×0.1μFC0G可能是精確50 nF的最簡單解決方案。從Murata，TDK和Kemet可以輕松獲得0.1μFC0G5％1206。另一種選擇是47 nF C0G（1206或0805）;這部分較小，但可能不常見。如前所述，最佳C X 隨實際IC參數(shù)而變化。

還檢查了平坦度與電源電壓的關(guān)系;參見圖6.標準電路為±1.5 V.將電源電壓改為±1.0 V或±2.5 V表示峰值發(fā)生微小變化，平坦電平變化很小（由于V N 改變與供應，以熱噪聲為主導）。峰值電平和平坦電平在整個電源電壓范圍內(nèi)變化約0.2 dB。當電路由兩個小電池供電時，該圖表明具有良好的幅度穩(wěn)定性和平坦度。

對于這款采用±1.5 V電源的原型，平坦度在0.5 dB以內(nèi)，最高可達380 Hz。在±1.0 V電源下，平坦水平和峰值略微增加。對于±1.5 V至±2.5 V電源電壓，輸出電平不會明顯改變。總V p-p（或V rms）輸出電平取決于固定的10μV/√Hz密度以及帶寬。對于這個原型，輸出信號約為1.5 mV p-p。在某些非常低的頻率（mHz范圍）下，噪聲密度可能會超過規(guī)定的10μV/√Hz。對于這個原型，驗證了在0.1 Hz時，噪聲密度在10μV/√Hz時仍然是平坦的。

在穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系中，熱噪聲占主導地位，因此對于T = 22（±6）° C，幅度變化為±1％，這種變化在圖上幾乎看不到。

EMI注意事項

原型使用帶有Kapton絕緣層的小銅箔作為屏蔽。該箔片或翼片纏繞在輸入元件（10 M + 22 pF）周圍，并焊接在PCB背面的接地上。改變襟翼的位置對EMI的敏感性和低頻（LF）刺激的風險具有顯著影響。實驗表明偶爾顯示的LF雜散是由于EMI引起的，并且可以通過非常好的屏蔽來防止雜散。通過翻蓋，原型在實驗室中提供了干凈的響應，沒有任何額外的mu-metal屏蔽。頻譜分析儀上沒有電源噪聲或其他雜散。如果信號上出現(xiàn)過量噪聲，則可能需要額外的EMI屏蔽。

當使用外部電源代替電池時，共模電流很容易添加到信號中。建議使用實心線連接儀器接地，并在發(fā)電機的電源線中使用CM扼流圈。

限制

總有一些應用需要更多帶寬，例如全音頻范圍或超聲波范圍。在幾μA的電源電流下，更多帶寬是不現(xiàn)實的。 LTC2063基于電阻噪聲的電路具有大約300 Hz至400 Hz的扁平帶寬，可用于測試50 Hz / 60 Hz電源頻率的某些儀器，可能還有地震檢波器應用。該范圍適用于測試各種VLF應用（例如，傳感器系統(tǒng)），因為頻率范圍可擴展至<0.1 Hz。

輸出信號電平較低（<2 mV p-p）。后續(xù)LTC2063配置為具有增益為5的同相放大器和更遠的RC輸出濾波器，可以提供類似的良好控制的平坦寬帶噪聲輸出至300 Hz，幅度更大。在不使閉環(huán)頻率最大化的情況下范圍，反饋電阻兩端的電容可以降低整體帶寬。在這種情況下，R S 和C X 的影響在閉環(huán)響應的邊緣將產(chǎn)生較小甚至可忽略的影響。

結(jié)論

這里描述的白噪聲發(fā)生器是一個小但必不可少的工具。由于測量時間長，LF應用的標準 - 是一個簡單，可靠，便攜式設(shè)備，可以產(chǎn)生近乎瞬時的電路特性 - ，是工程師工具箱的一個受歡迎的補充。與具有多種設(shè)置的復雜儀器不同，此發(fā)生器不需要用戶手冊。這種特殊設(shè)計具有低電源電流，對于長時間VLF應用測量中的電池供電操作至關(guān)重要。當電源電流非常低時，無需開/關(guān)開關(guān)。使用電池的發(fā)電機也可以防止共模電流。

本設(shè)計中使用的LTC2063低功耗，零漂移運算放大器是滿足項目約束的關(guān)鍵。它的特性使得能夠使用由簡單的同相運算放大器電路獲得的噪聲產(chǎn)生電阻。