用簡單、有效的方法和電路測量極低1/f電壓基準雜訊(

引言

電壓基準的電壓雜訊和溫漂通常決資料獲取系統(DA定S)的測量極限。電壓基準的資料資料一般以兩種獨立形式給出雜訊指標：1) 低頻(0.1Hz至10Hz)， µVP-P;2) 寬頻雜訊，給定頻寬(例如， 10Hz至1kHz)內的µVRMS;或者電壓雜訊譜密度達到其平坦度指標時對應頻率下的電壓雜訊譜密度，表示為nV/√Hz。

通過使用低通濾波可將後者大大降低寬頻雜訊。然而，濾除低頻雜訊非常麻煩且不太可行，因為濾除較低頻率需要較大的電容。

由於電壓基準雜訊是隨機信號，所以也影響輸出電壓精度。例如，如果輸出雜訊為1mVP-P，那麼對於3V基準，雜訊轉換為0.033%電壓隨機性，

這影響基準的初始精度。本文介紹了一種可測量和降低電壓基準的低頻雜訊簡單、有效的方法。應用實例的目標是得到低於1µVP-P的低頻雜訊(0.1Hz至10Hz)。

1電壓基準雜訊的測量

測量電壓基準雜訊的標準方法如圖1所示。將電壓基準的輸出連接到高通濾波器，以通過0.1Hz及以上的頻率。高通濾波器還有兩項好處：阻塞電壓基準輸出的直流成分、只允許高通濾波器拐點頻率以上的交流信號到達低雜訊前置放大器。

圖1 測量電壓基準雜訊的典型配置

影響甚至限制典型電路性能的設計注意事項有多種：

1)實現高通濾波器的較低截止頻率，需要大的、低漏泄、高品質和昂貴的電容。

2)輸入電阻的閃爍雜訊和低雜訊前置放大器的輸入電流雜訊疊加在一起，決定該電阻引起的低頻雜訊。所以，較小的電阻產生較低的雜訊。然而，較低的電阻要求較大的電容，以實現高通濾波器的截止頻率。

3)高通濾波器引起的雜訊至關重要，因為該雜訊將疊加至前置放大器的輸入電壓雜訊。在前置放大器輸入上產生的總雜訊必須遠低於電壓基準的雜訊。

2替代的雜訊測量配置

圖2所示的配置中，使用兩個完全相同的電壓基準準確地確定其低頻雜訊。這是一種間接測量雜訊的方法。該方法的前提條件是：兩個不同器件(同一製造批次)具有非常相似的雜訊性能，且其雜訊不相干。

圖2 建議用於評估電壓基準雜訊性能的配置

在我們的實驗中，配置採用了一對MAX6126超低雜訊電壓基準。圖2詳細配置中的虛線表示全部測試電路都在法拉第金屬籠中與外部環境完全遮罩。我們的詳細平臺配置請參見圖6和圖7。

使用網路分析儀很容易評估實驗配置的傳遞函數(G×F)。

MAX6126具有雜訊抑制引腳NR，可通過外部電容連接到地。該電容與片上電阻(典型值為20kΩ)一起組成低通濾波器，降低內部基準的雜訊。利用0.1µF雜訊抑制電容，我們可濾除100Hz以上的頻譜分量。本文中，我們證明100µF雜訊抑制電容可用於降低1/f雜訊(0.1Hz至10Hz)，因為濾波器的截止頻率為大約0.1Hz。

選擇MAX9632的原因是其雜訊極其低，包括1/f雜訊和寬頻雜訊。 MAX9632用作差分放大器配置。差分電壓增益取決於匹配良好的5KΩ和50Ω電阻的比率。選擇這些0.01%匹配電阻來改善CMRR性能，進而抑制外部RF或/和交流電網信號的寄生耦合注入的有害共模雜訊。採用的增益為100V/V，但必要時也可設置為更高。然而，差分放大器頻寬BW將減小，因為BW = GBW/增益。

差分放大器的輸出連接到高通濾波器。該濾波器允許根據電阻和電容值合理設置濾波器截止頻率。100µF和50kΩ組合，用於通過0.03Hz及更高的頻率。在低雜訊前置放大器之後使用高通濾波器有多種優勢。由於濾波器位於增益級之後，所以電容和電阻的雜訊不是特別重要，我們可使用普通電容和電阻器件。此外，我們也可以根據需要自訂濾波器截止頻率。值得注意的是，信號分析儀輸入設置為直流耦合模式。所以，信號分析儀中交流耦合模式的高通濾波器頻率拐點不影響測量。

3信號鏈的頻率響應

利用圖3所示的實驗配置評估圖2中雜訊測量配置的頻率響應。在這種情況下，測試信號連接到差分放大器的輸入端，另外一端輸入連接到地。