線性穩(wěn)壓器具 2nV/√Hz 噪聲和 120dB 電源抑制
電阻器的選擇沒有很多爭議，與薄膜電阻器相比，金屬薄膜電阻器用來確保低 1/f 噪聲。電容器則完全是另一回事，必須仔細考慮。在《應用指南 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，這些特性更加重要。針對寬帶噪聲采用 10Hz 低頻帶阻時，較低價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，因為它們本質(zhì)上是一種壓電器件，任何機械振動會把信號注入到電路中，迅速地超過所測噪聲水平。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，這個特性是不想要的。鉭和鋁電解質(zhì)電容器價格不貴，也沒有電壓系數(shù)或機械敏感性問題。以前會考慮聚對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，電容器也確實顯示出必須仔細考慮的噪聲特性。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，因為它們對機械振動敏感。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，以了解進一步的信息)。最后選擇了標準鉭電容器，因為這類電容器價格合理、偏置電壓特性良好而且對物理振動不起反應。多個電容器并聯(lián)可獲得所需電壓額定值和凈電容，同時還可降低這些電容器導致的噪聲。
出于類似原因，第一個增益級構(gòu)件和第二個增益級構(gòu)件之間的隔離 / 濾波也選擇用鉭電容器實現(xiàn)。盡管使用鉭電容器后，第一級的增益會導致噪聲被放大，但是人們發(fā)現(xiàn)，陶瓷電容器的壓電響應產(chǎn)生的信號超出了可接受水平。
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，這里選擇了陶瓷電容器。被放大并與電容器壓電響應有關(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期值。第一增益級中的補償電容器以及巴特沃斯濾波器中使用的電容器是 C0G、NPO 或聚對苯二甲酸電容器，因為這類電容器的電介質(zhì)沒有或有很小的壓電效應或 DC 偏置漂移。
怎樣給電路本身供電是最后一個重要決定。人們選擇用堿性電池作電源，這樣就可為所有級提供噪聲最小的電源，并防止設備中可能存在的地環(huán)路導致測量結(jié)果不準確。我們必須記住，這里采用的所有電路都不具備無限大的電源抑制能力，電源上的任何噪聲都可以到達輸出，并有可能影響測量結(jié)果。在選擇用任何基于電網(wǎng)的電源供電時，要仔細考慮這些因素。
實際的電路限制
放大器有一些實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 信號在輸出端將變成 1VP-P。用 ±4.5V 電源供電決定了輸出信號幅度低于 ±3.5V。因此，輸入不能接受總幅度超過 ±350µV 的信號，否則信號保真度就無法保證。就高斯 (Gaussian) 噪聲而言，預計最差情況的波峰因數(shù)為 10，那么用這個電路可測得的最大值僅為 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，測量負的輸出電壓時，電容器要反過來連接。就第一級和第二級之間的 DC 隔離和濾波而言，電容器的負端應該連至第一級。三極管的基極電流通過 499Ω 電阻器將其基極電壓拉至略負，這個略負的電壓通過第一級的 25 倍增益進一步放大，因此要求電容器這樣取向。
校準、驗證和測量
一旦電路搭建完成，就需要驗證增益和輸入?yún)⒖荚肼�。為了校準增益，�?60dB 衰減 把來自函數(shù)發(fā)生器的信號降至能夠避免放大器輸出以軌電壓運行的水平。在 1kHz 中頻段頻率時，100mVP-P 從函數(shù)發(fā)生器進入衰減器，調(diào)整最后的增益級中的電位器，以在輸出端提供 1VP-P。在 10Hz 至 1MHz 范圍來回調(diào)節(jié)頻率，以驗證增益在想要的帶寬內(nèi)是平坦的。
增益和頻率響應的驗證是用網(wǎng)絡分析儀進行的。基準信號通過 60dB 衰減器饋送給放大器輸入。3 個獨立的輸出作為測試點連接，并掃過整個頻率范圍。圖 3 顯示 3 個輸出中每一個的增益隨頻率的變化，突出顯示了卓越的平坦度和恰當?shù)墓战穷l率。
圖 3：圖 1 電路的增益。濾波器響應顯示，在想要的拐角頻率處有陡峭的滾降。
為了驗證輸入?yún)⒖荚肼暎瑢⒎糯笃鬏斎攵探又恋�，測量輸出端的噪聲。測量直接用 RMS 電壓表或示波器進行。噪聲頻譜密度用頻譜分析儀觀看。所測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 增益除以這個噪聲數(shù)值，得出輸入?yún)⒖荚肼暿?500pV/√Hz，略高于目標值。即使有 1/f 分量，這一數(shù)值也相當于在 10Hz 至 100kHz 帶寬內(nèi)有 0.15µVRMS，這個數(shù)值足夠低，可以有把握地在相同的帶寬上測量 1µVRMS。測量結(jié)果與示波器上測得的峰至峰值噪聲有良好的相關(guān)性，如圖 5 所示。
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