電路中的噪聲通常是敵人，任何自尊電路都應(yīng)輸出盡可能少的噪聲。然而，有些情況下，沒有其他信號(hào)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(guò)在一系列頻率上掃描輸入信號(hào)并觀察設(shè)計(jì)的響應(yīng)來(lái)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(fù)雜，精確的濾波可以產(chǎn)生相對(duì)干凈的正弦波，但是對(duì)于每個(gè)頻率步進(jìn)，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(cè)試較少的離散頻率可能會(huì)更快，但會(huì)增加在高Q現(xiàn)象所在的臨界頻率上跳過(guò)的風(fēng)險(xiǎn)。

白噪聲發(fā)生器比掃頻正弦波更簡(jiǎn)單，更快，因?yàn)樗梢栽谙嗤认峦瑫r(shí)有效地產(chǎn)生所有頻率。在被測(cè)設(shè)備（DUT）的輸入端施加白噪聲可以快速生成整個(gè)頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)概覽。在這種情況下，不需要昂貴或復(fù)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(zhǎng)的采集時(shí)間可在感興趣的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的輸出響應(yīng)。

DUT對(duì)白噪聲的預(yù)期響應(yīng)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(yīng)偽影。

此外，白噪聲發(fā)生器允許細(xì)心的工程師測(cè)試測(cè)試儀。測(cè)量頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在測(cè)量已知的扁平白噪聲發(fā)生器時(shí)應(yīng)產(chǎn)生平坦的噪聲分布。

在實(shí)際應(yīng)用方面，白噪聲發(fā)生器易于使用，小巧，適合緊湊的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，價(jià)格低廉。具有無(wú)數(shù)設(shè)置的高質(zhì)量信號(hào)發(fā)生器具有極好的通用性。但是，多功能性會(huì)妨礙快速的頻率響應(yīng)測(cè)量。精心設(shè)計(jì)的白噪聲發(fā)生器不需要控制，但可產(chǎn)生完全可預(yù)測(cè)的輸出。

噪聲討論

電阻熱噪聲，有時(shí)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(dòng)引起的。該噪聲近似為白色，具有近似高斯分布。在電學(xué)術(shù)語(yǔ)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(lái)自流過(guò)基本電阻的電荷的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，一種R×I NOISE 。表1顯示了20°C的實(shí)例。

然后，一個(gè)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試噪聲源相當(dāng)穩(wěn)定，因?yàn)镽和T變化只會(huì)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(dǎo)致1％的噪聲密度變化相對(duì)較小。同樣，電阻為2％電阻變化導(dǎo)致1％的噪聲密度變化。

考慮圖1：10MΩ電阻R1在運(yùn)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(hào)。

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(wú)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(dǎo)地位。原因是：電阻噪聲應(yīng)該主導(dǎo)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(dú)立源時(shí)噪聲的增加。從402nV /√Hz到502nV /√Hz的變化僅為1.9dB，對(duì)數(shù)伏特或0.96功率dB。運(yùn)放噪聲約為電阻噪聲的50％，運(yùn)算放大器V NOISE 的5％不確定性會(huì)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(yùn)算放大器。這樣的運(yùn)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(huì)運(yùn)行基于具有遠(yuǎn)低于可預(yù)測(cè)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(zhǎng)偽隨機(jī)二進(jìn)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(huì)產(chǎn)生建立毛刺，諧波或互調(diào)產(chǎn)品，這對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來(lái)說(shuō)是必不可少的。此外，選擇最合適的PRBS序列會(huì)增加復(fù)雜性和不確定性。

低功耗零漂移解決方案

這個(gè)項(xiàng)目有兩個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)：

易于使用的白噪聲發(fā)生器必須是便攜式的;也就是說(shuō)，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(jī)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(yùn)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(yīng)用，因?yàn)槠涞湫?a target="_blank">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(cè)量需要較長(zhǎng)的建立時(shí)間，因此該發(fā)電機(jī)必須長(zhǎng)時(shí)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(yù)測(cè)且平坦。假設(shè)LTC2063的噪聲為熱噪聲的50％，運(yùn)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(yùn)算放大器的1 / f噪聲沒有設(shè)計(jì)。有些比其他更好，特別是對(duì)于電流噪聲，更常見的是寬帶規(guī)格是錯(cuò)誤的，或者1 / f噪聲遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)表中建議的噪聲。對(duì)于某些零漂移運(yùn)算放大器，數(shù)據(jù)表噪聲曲線不會(huì)下降到mHz頻率區(qū)域，可能會(huì)掩蓋1 / f噪聲。斬波穩(wěn)定運(yùn)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(shuō)，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(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)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(xiàng)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?yàn)樾盘?hào)電流非常小，因此1 / f噪聲可以忽略不計(jì)。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(duì)于該發(fā)生器的主要元件。

為獲得最佳精度和長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)

應(yīng)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(yīng)該非常好地屏蔽電場(chǎng)，這將在 EMI注意事項(xiàng)部分進(jìn)一步討論。雖然并不重要，但R1應(yīng)避免溫度變化較大。通過(guò)良好的EMI屏蔽，熱屏蔽通常是足夠的。

應(yīng)避免VCC范圍的LTC2063軌到軌輸入電壓轉(zhuǎn)換區(qū)域，因?yàn)榻徊婵赡軐?dǎo)致更高，更不穩(wěn)定的噪聲。為獲得最佳效果，對(duì)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(lái)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(fù)載電容完全分離。對(duì)于這種白噪聲發(fā)生器電路，一些導(dǎo)致峰值的輸出電容可能是設(shè)計(jì)特征而不是危險(xiǎn)。

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(dǎo)致頻率響應(yīng)出現(xiàn)一些峰值。這種峰值可用于擴(kuò)展發(fā)電機(jī)的扁平帶寬，這與揚(yáng)聲器中的端口孔試圖擴(kuò)展低端的方式非常相似。假設(shè)高Z負(fù)載（>100kΩ），因?yàn)檩^低的Z負(fù)載會(huì)顯著降低輸出電平，并且還可能影響峰值。

可選調(diào)整

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

然而，C X 可以針對(duì)平坦度或帶寬進(jìn)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(qǐng)使用更小的C X 。要獲得更加阻尼的響應(yīng)，請(qǐng)使用更大的C X 。

關(guān)鍵IC參數(shù)與運(yùn)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(shí)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(yīng)。

測(cè)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(shí)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(duì)于C X = 10 nF最強(qiáng)，對(duì)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(shí)鐘噪聲比信號(hào)電平低三個(gè)數(shù)量級(jí)。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(jì)允許使用兩個(gè)紐扣電池（約±1.5 V）。

圖5顯示了在Y軸上放大的平坦度。對(duì)于許多應(yīng)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(cè)量需要時(shí)間;對(duì)于該圖（10Hz至1kHz，1000個(gè)平均值），每個(gè)跡線約20分鐘。標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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?。ㄓ捎赩 N 改變與供應(yīng)，以熱噪聲為主導(dǎo)）。峰值電平和平坦電平在整個(gè)電源電壓范圍內(nèi)變化約0.2 dB。當(dāng)電路由兩個(gè)小電池供電時(shí)，該圖表明具有良好的幅度穩(wěn)定性和平坦度。

對(duì)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(dá)380 Hz。在±1.0 V電源下，平坦水平和峰值略微增加。對(duì)于±1.5 V至±2.5 V電源電壓，輸出電平不會(huì)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(duì)于這個(gè)原型，輸出信號(hào)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(huì)超過(guò)規(guī)定的10μV/√Hz。對(duì)于這個(gè)原型，驗(yàn)證了在0.1 Hz時(shí)，噪聲密度在10μV/√Hz時(shí)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(dǎo)地位，因此對(duì)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(xiàng)

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(duì)EMI的敏感性和低頻（LF）刺激的風(fēng)險(xiǎn)具有顯著影響。實(shí)驗(yàn)表明偶爾顯示的LF雜散是由于EMI引起的，并且可以通過(guò)非常好的屏蔽來(lái)防止雜散。通過(guò)翻蓋，原型在實(shí)驗(yàn)室中提供了干凈的響應(yīng)，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(hào)上出現(xiàn)過(guò)量噪聲，則可能需要額外的EMI屏蔽。

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

限制

總有一些應(yīng)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(shí)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(cè)試50 Hz / 60 Hz電源頻率的某些儀器，可能還有地震檢波器應(yīng)用。該范圍適用于測(cè)試各種VLF應(yīng)用（例如，傳感器系統(tǒng)），因?yàn)轭l率范圍可擴(kuò)展至<0.1 Hz。

輸出信號(hào)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(yuǎn)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(yīng)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(gè)小但必不可少的工具。由于測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，LF應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn) - 是一個(gè)簡(jiǎn)單，可靠，便攜式設(shè)備，可以產(chǎn)生近乎瞬時(shí)的電路特性 - ，是工程師工具箱的一個(gè)受歡迎的補(bǔ)充。與具有多種設(shè)置的復(fù)雜儀器不同，此發(fā)生器不需要用戶手冊(cè)。這種特殊設(shè)計(jì)具有低電源電流，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間VLF應(yīng)用測(cè)量中的電池供電操作至關(guān)重要。當(dāng)電源電流非常低時(shí)，無(wú)需開/關(guān)開關(guān)。使用電池的發(fā)電機(jī)也可以防止共模電流。

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