用简单、有效的方法和电路测量极低1/f电压基准噪声(< 1µVP-P，0.1Hz至10Hz)

　　引言

　　电压基准的电压噪声和温漂通常决数据采集系统(DA定S)的测量极限。电压基准的数据资料一般以两种独立形式给出噪声指标：1) 低频(0.1Hz至10Hz)，µVP-P;2) 宽带噪声，给定带宽(例如，10Hz至1kHz)内的µVRMS;或者电压噪声谱密度达到其平坦度指标时对应频率下的电压噪声谱密度，表示为nV/√Hz。

　　通过使用低通滤波可将后者大大降低宽带噪声。然而，滤除低频噪声非常麻烦且不太可行，因为滤除较低频率需要较大的电容。

　　由于电压基准噪声是随机信号，所以也影响输出电压精度。例如，如果输出噪声为1mVP-P，那么对于3V基准，噪声转换为0.033%电压随机性，这影响基准的初始精度。本文介绍了一种可测量和降低电压基准的低频噪声简单、有效的方法。应用实例的目标是得到低于1µVP-P的低频噪声(0.1Hz至10Hz)。

　　1电压基准噪声的测量

　　测量电压基准噪声的标准方法如图1所示。将电压基准的输出连接到高通滤波器，以通过0.1Hz及以上的频率。高通滤波器还有两项好处：阻塞电压基准输出的直流成分、只允许高通滤波器拐点频率以上的交流信号到达低噪声前置放大器。

　　图1 测量电压基准噪声的典型配置

　　影响甚至限制典型电路性能的设计注意事项有多种：

　　1)实现高通滤波器的较低截止频率，需要大的、低漏泄、高质量和昂贵的电容。

　　2)输入电阻的闪烁噪声和低噪声前置放大器的输入电流噪声叠加在一起，决定该电阻引起的低频噪声。所以，较小的电阻产生较低的噪声。然而，较低的电阻要求较大的电容，以实现高通滤波器的截止频率。

　　3)高通滤波器引起的噪声至关重要，因为该噪声将叠加至前置放大器的输入电压噪声。在前置放大器输入上产生的总噪声必须远低于电压基准的噪声。

　　2替代的噪声测量配置

　　图2所示的配置中，使用两个完全相同的电压基准准确地确定其低频噪声。这是一种间接测量噪声的方法。该方法的前提条件是：两个不同器件(同一制造批次)具有非常相似的噪声性能，且其噪声不相干。

　　图2 建议用于评估电压基准噪声性能的配置

　　在我们的实验中，配置采用了一对MAX6126超低噪声电压基准。图2详细配置中的虚线表示全部测试电路都在法拉第金属笼中与外部环境完全屏蔽。我们的详细平台配置请参见图6和图7。

　　使用网络分析仪很容易评估实验配置的传递函数(G×F)。

　　MAX6126具有噪声抑制引脚NR，可通过外部电容连接到地。该电容与片上电阻(典型值为20kΩ)一起组成低通滤波器，降低内部基准的噪声。利用0.1µF噪声抑制电容，我们可滤除100Hz以上的频谱分量。本文中，我们证明100µF噪声抑制电容可用于降低1/f噪声(0.1Hz至10Hz)，因为滤波器的截止频率为大约0.1Hz。

　　选择MAX9632的原因是其噪声极其低，包括1/f噪声和宽带噪声。MAX9632用作差分放大器配置。差分电压增益取决于匹配良好的5KΩ和50Ω电阻的比率。选择这些0.01%匹配电阻来改善CMRR性能，进而抑制外部RF或/和交流电网信号的寄生耦合注入的有害共模噪声。采用的增益为100V/V，但必要时也可设置为更高。然而，差分放大器带宽BW将减小，因为BW = GBW/增益。

　　差分放大器的输出连接到高通滤波器。该滤波器允许根据电阻和电容值合理设置滤波器截止频率。100µF和50kΩ组合，用于通过0.03Hz及更高的频率。在低噪声前置放大器之后使用高通滤波器有多种优势。由于滤波器位于增益级之后，所以电容和电阻的噪声不是特别重要，我们可使用普通电容和电阻器件。此外，我们也可以根据需要自定义滤波器截止频率。值得注意的是，信号分析仪输入设置为直流耦合模式。所以，信号分析仪中交流耦合模式的高通滤波器频率拐点不影响测量。

　　3信号链的频率响应

　　利用图3所示的实验配置评估图2中噪声测量配置的频率响应。在这种情况下，测试信号连接到差分放大器的输入端，另外一端输入连接到地。

　　图3 测量频率响应的测试配置(对应图2)。

　　频率响应函数为G×F(见上文式7)。图4表明，在低频带范围内(0.1Hz至10Hz)，我们可假设以输出为基准的噪声增益可达40dB或100V/V。由于0.1Hz和10Hz为所用外部带通滤波器的拐点频率，所以它们是增益响应上的-3dB点。

　　图4 噪声测量配置的交流增益频率响应(G×F)

　　图4表明，在频带(0.1HZ至10Hz)内，假设以输出为基准的噪声增益为40dB或100V/V是安全的。图5所示为用于校准噪声的时域输出配置。配置的输入连接到地。记录64s时隙内的输出噪声，明显超过频域中0.1Hz对应的10s时间。这非常有用，表明64s总时间中任意10s窗口的峰-峰值变化非常小。

　　图5 校准噪声eout0的时域配置(见式6)

　　图6所示为所用实验室配置和仪器的照片。图7为详细的配置。

　　图6 详细的实验室配置照片

　　图7 图6所示的法拉第笼中的配置