低噪聲電源的研制和測試

在弱信號測試中，測試系統自身要有很低的噪聲輸出和較高的穩定等特性，要滿足這些條件，其供電系統的高穩定、低噪聲是基本要求之一。目前國內外市場上的高精密正負雙路輸出電源緊要采用基準穩壓芯片作基準源，其噪聲特性不夠理想，價格相對較高。同時此類電源在特定負載下容易發生振蕩，使得一種電源只能作為特定儀器的專用電源，制約了其適用性。國內的弱信號測試雖然起步相對較晚，但隨著其的迅速發展，弱信號測試儀相繼譜及，對低噪聲低紋波電源的要也將越來越大。

2電路構架和關鍵技術

圖1電路基本構架

圖1是電路基本構架，用的是兩級穩壓的電子濾波電路,此電路的特點是紋波噪聲特性好，體積小。電路各模塊以動態分解儀SR780來測試分解進行改進，使輸出噪聲達到最理想效果。動態分解儀SR780是美國斯坦福大學研制，它有0Hz-102.4kHz測試帶寬,90dB動態范圍,最小輸入噪聲密度可達（200Hz內），完全能滿足設計上的測試精度的要求。

2.1結構上的幾點關鍵解決

為了使電源的輸出達到低噪聲的輸出，并提高其穩定特性，緊要作了以下幾點關鍵解決：

1）尖峰噪聲的削除。在整流電橋的各個二極管分別并聯特定值的RC，目的是抑制內部整流二極管反向恢復期間引起的尖峰噪聲(圖2中虛線)。實測聲明，電源輸出功率越大，尖峰越分明。這里電容一般取0.01μ。用于抑制振蕩的電阻在100Ω左右，若要使其噪聲特性最好，用示波器觀測調整電阻其輸出達到最佳即可。

圖2整流濾波出現的尖峰噪聲

圖3SR780測試不同電流下所用發光二極管的噪聲功率譜

2)基準源由恒流源和去光電效應的幾個發光二極管組成。發光二極管價格低，噪聲特性好。為了達到最好的噪聲輸出，對所選用的發光二極管噪聲與其通電電流的關系作了系統的測量和研究。用SR780測試其噪聲隨電流變化如圖3，可見其噪聲是隨著通電電流的增大而先減小后增大，在3mA處該發光二極管噪聲最小（換算成噪聲電壓有效值約為0.3μVrms（0-800Hz））。可選用2SK30作為恒流源，預穩壓級（可以用市場上較為廉價的三端穩壓器件，也能滿足要求）為其供應穩定的電壓，保證了其輸出電流恒定不變。

對現有的發光二極管的噪聲進行測試時發今朝適合電流下，其噪聲0.3μVrms，有資料顯示有的發光二極管噪聲甚至1nVrms，相比目前的主流低噪聲基準源的噪聲在1μVrms左右（如ADR43系列在0.1Hz-10Hz噪聲約為0.5μVrms，具有一定的優點。

在測試其噪聲時還發現發光二極管有比較分明的光電效應，當外界光照強度變化時，用萬用表測試，其端電壓隨著光強有近幾個毫伏的變化。為消除其光電效應，達到輸出電壓穩定、噪聲低的目的，設計一個大小適宜的盒子發光二極管封裝在里面，并將盒子內壁涂上瀝青。

3)把減流限流保護從輸出端移到預穩壓級。這樣做一是相當于將輸出阻抗減小了限流保護電阻的大小，提高了其負載調整率。二是相當于移開了一個意外熱源（當電源意外過載，限流保護開始工作，作為限流的晶體管肯定會散出熱量），避開了對后級低噪聲器件的干擾，提高電源穩定度。

2.2對特定負載出現振蕩的分解

當電源電路的阻抗與負載的阻抗匹配時，會在某些頻率出現振蕩，而引起精密電源振蕩的振蕩源一般為小信號，為了盡可能減小甚至消除這種振蕩，對電源進行小信號建模分解,希望能從中找到一些處理辦法。由于這個電源的低紋波、低噪聲的輸出緊要是由次級穩壓來實現，所以選擇次級穩壓的正輸出進行小信號建模分解（圖4）：

圖4次級穩壓的小信號模型

設預穩壓級輸出的紋波使恒流源輸出電流波動為，進而使作為基準源的發光二極管組電壓波動為，輸入達林頓連接的基極電流波動，如圖4,由電路可得：

基準源紋波：

紋波增益表達式為：

為方便討論和說明，設負載為純阻性的（其他類型的負載，可用此分解辦法作為參照），則令,并忽略較小項可得：

這個式子我們非常熟悉，它與有負載的LC低通濾波電路的傳輸函數的幅值有相同的表達形式，令其對ω一階導為零，可求得其極大點處ω的值：

從(4)式可知，只要L取得足夠大，使根號內的值0,則振蕩點不存在，但L大代表著電感的體積大，這是難以接受的，一般在體積準許的情況下，才采用這種辦法，通常只能調整電路中元件的值，使振蕩點遠離工頻和干擾頻率，這里要留意的是式中各個量與所用元件的值是有差別的，應當是由于布線、焊接以及元器件本身的誤差等原由出現的，所以要對各值進行準確的測量，可更換幾個不同已知值的L和C，用SR780測量其對應的極大值點來聯立計算出電路中本身存在的阻抗，再計算出最適合的（使振蕩頻率遠離工作頻率）電容和電感值。實際測試分解，當更換電源中的電感時，輸出的振蕩頻率與(4)式吻合得較好，這實際上說明對不同的負載，只要詳盡知道負載的阻抗，通過調整電源的阻抗，是可以使振蕩遠離工頻和干擾頻率的，達到工作上的要求。

另一方面，可以通過小信號模型求出電路的輸出阻抗為：

2.3溫度漂移

試驗測試發現若是發光二極管和三極管在溫度系數上選擇不當，隨著工作時間的推移，晶體管發熱，電源輸出多則有0.5V的漂移。但只要做一下選擇，這是完全可以改善的。通常發光二極管的溫漂約莫在2mV??C左右，晶體三極管約莫為4mV??C,由于它們的溫漂有相同的符號，試驗發現只要選擇適當，就能很好的補償掉，可以將溫漂系數降到104?以下，鑒于弱信號測試的電源一般工作在室溫，這樣的溫漂已經能夠完全滿足要求。

3SR780測試結果展示及分解：

設計的電源輸出為：Vo=±8V,Io=0～00mA，考慮到電源要同時要具有較高的穩定性和低噪聲、低紋波的要求，所以測試選擇的是SR780的最大頻段0-102.4kHz,但實測發現，在頻率>3.2kHz時，其輸出被SR780背景噪聲所淹沒，給出電源滿載時輸出噪聲紋波功率譜密度在3.2kHz以下如圖5，有效值為：

圖5電源滿載時輸出噪聲紋波功率頻譜

圖6SR780輸入短接的背景噪聲功率頻譜

這個電源的缺陷是輸出電壓不能太高，緊要是因為發光二極管端電壓不高，一般為2-3V，要使輸出較高的電壓，就得串聯更多的發光二極管，這樣會使電源溫漂難以補償，焊結點過多，也容易引入干擾。不過，只要選擇適宜的端電壓發光二極管，對常用的±5V、±12V、±15V電壓輸出是沒有問題的，這已經能夠滿足今朝大部分弱信號測量要求了。

4總結

本文研制的低噪聲正負雙路輸出的線性穩壓電源采用價格低廉的發光二極管在經特殊解決后作為基準源，大大降低了電源的制作成本，同時用動態分解儀SR780跟蹤測試分解電路中各個環節，以此來調整和分解濾波電容和電阻，消除尖峰噪聲和振蕩，輸出紋波噪聲達到μVrms級，能夠用作弱信號測試儀器的供電。

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