低噪聲電源的研制和檢測(cè)

　　1 引言

　　在弱信號(hào)檢測(cè)中，檢測(cè)系統(tǒng)自身要有很低的噪聲輸出和較高的穩(wěn)定等特性，要滿足這些條件，其供電系統(tǒng)的高穩(wěn)定、低噪聲是基本要求之一。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的高精密正負(fù)雙路輸出電源主要采用基準(zhǔn)穩(wěn)壓芯片作基準(zhǔn)源，其噪聲特性不夠理想，價(jià)格相對(duì)較高。同時(shí)此類電源在特定負(fù)載下容易發(fā)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(guó)內(nèi)的弱信號(hào)檢測(cè)雖然起步相對(duì)較晚，但隨著其的迅速發(fā)展，弱信號(hào)檢測(cè)儀相繼譜及，對(duì)低噪聲低紋波電源的需要也將越來(lái)越大。

　　2 電路構(gòu)架和關(guān)鍵技術(shù)

圖 1 電路基本構(gòu)架

　　圖 1是電路基本構(gòu)架，用的是兩級(jí)穩(wěn)壓的電子濾波電路,此電路的特點(diǎn)是紋波噪聲特性好，體積小。電路各模塊以動(dòng)態(tài)分析儀SR780來(lái)檢測(cè)分析進(jìn)行改進(jìn)，使輸出噪聲達(dá)到最理想效果。動(dòng)態(tài)分析儀SR780是美國(guó)斯坦福大學(xué)研制，它有0Hz-102.4kHz檢測(cè)帶寬, 90dB動(dòng)態(tài)范圍, 最小輸入噪聲密度可達(dá)（200Hz內(nèi)），完全能滿足設(shè)計(jì)上的檢測(cè)精度的要求。

　　2.1 結(jié)構(gòu)上的幾點(diǎn)關(guān)鍵處理

　　為了使電源的輸出達(dá)到低噪聲的輸出，并提高其穩(wěn)定特性，主要作了以下幾點(diǎn)關(guān)鍵處理：

　　1）尖峰噪聲的削除。在整流電橋的各個(gè)二極管分別并聯(lián)特定值的RC，目的是抑制內(nèi)部整流二極管反向恢復(fù)期間引起的尖峰噪聲(圖 2中虛線)。實(shí)測(cè)表明，電源輸出功率越大，尖峰越明顯。這里電容一般取0.01μ 。用于抑制振蕩的電阻在100 Ω 左右，若需要使其噪聲特性最好，用示波器觀測(cè)調(diào)整電阻其輸出達(dá)到最佳即可。

圖 2 整流濾波產(chǎn)生的尖峰噪聲

圖 3 SR780檢測(cè)不同電流下所用發(fā)光二極管的噪聲功率譜

　　2) 基準(zhǔn)源由恒流源和去光電效應(yīng)的幾個(gè)發(fā)光二極管組成。發(fā)光二極管價(jià)格低，噪聲特性好。為了達(dá)到最好的噪聲輸出，對(duì)所選用的發(fā)光二極管噪聲與其通電電流的關(guān)系作了系統(tǒng)的測(cè)量和研究。用SR780檢測(cè)其噪聲隨電流變化如圖 3，可見(jiàn)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(fā)光二極管噪聲最小（換算成噪聲電壓有效值約為0.3μVrms（0-800Hz））?？蛇x用2SK30作為恒流源，預(yù)穩(wěn)壓級(jí)（可以用市場(chǎng)上較為廉價(jià)的三端穩(wěn)壓器件，也能滿足要求）為其提供穩(wěn)定的電壓，保證了其輸出電流恒定不變。

　　對(duì)現(xiàn)有的發(fā)光二極管的噪聲進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)在適合電流下，其噪聲 0.3μVrms，有資料顯示有的發(fā)光二極管噪聲甚至1nVrms ，相比目前的主流低噪聲基準(zhǔn)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(yōu)勢(shì)。

　　在檢測(cè)其噪聲時(shí)還發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管有比較明顯的光電效應(yīng)，當(dāng)外界光照強(qiáng)度變化時(shí)，用萬(wàn)用表檢測(cè)，其端電壓隨著光強(qiáng)有近幾個(gè)毫伏的變化。為消除其光電效應(yīng)，達(dá)到輸出電壓穩(wěn)定、噪聲低的目的，設(shè)計(jì)一個(gè)大小合適的盒子發(fā)光二極管封裝在里面，并將盒子內(nèi)壁涂上瀝青。

　　3) 把減流限流保護(hù)從輸出端移到預(yù)穩(wěn)壓級(jí)。這樣做一是相當(dāng)于將輸出阻抗減小了限流保護(hù)電阻的大小，提高了其負(fù)載調(diào)整率。二是相當(dāng)于移開(kāi)了一個(gè)意外熱源（當(dāng)電源意外過(guò)載，限流保護(hù)開(kāi)始工作，作為限流的晶體管肯定會(huì)散出熱量），避開(kāi)了對(duì)后級(jí)低噪聲器件的干擾，提高電源穩(wěn)定度。

　　2.2 對(duì)特定負(fù)載產(chǎn)生振蕩的分析

　　當(dāng)電源電路的阻抗與負(fù)載的阻抗匹配時(shí)，會(huì)在某些頻率產(chǎn)生振蕩，而引起精密電源振蕩的振蕩源一般為小信號(hào)，為了盡可能減小甚至消除這種振蕩，對(duì)電源進(jìn)行小信號(hào)建模分析,希望能從中找到一些解決方法。由于這個(gè)電源的低紋波、低噪聲的輸出主要是由次級(jí)穩(wěn)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以選擇次級(jí)穩(wěn)壓的正輸出進(jìn)行小信號(hào)建模分析（圖 4）：

圖 4 次級(jí)穩(wěn)壓的小信號(hào)模型

　　設(shè)預(yù)穩(wěn)壓級(jí)輸出的紋波使恒流源輸出電流波動(dòng)為，進(jìn)而使作為基準(zhǔn)源的發(fā)光二極管組電壓波動(dòng)為，輸入達(dá)林頓連接的基極電流波動(dòng)，如圖 4,由電路可得：

　　基準(zhǔn)源紋波：

　　紋波增益表達(dá)式為：

　　為方便討論和說(shuō)明，設(shè)負(fù)載為純阻性的（其他類型的負(fù)載，可用此分析方法作為參照），則令,并忽略較小項(xiàng)可得：

　　這個(gè)式子我們非常熟悉，它與有負(fù)載的LC低通濾波電路的傳輸函數(shù)的幅值有相同的表達(dá)形式，令其對(duì)ω 一階導(dǎo)為零，可求得其極大點(diǎn)處ω 的值：

　　從(4)式可知，只要L 取得足夠大，使根號(hào)內(nèi)的值0,則振蕩點(diǎn)不存在，但L 大代表著電感的體積大，這是難以接受的，一般在體積允許的情況下，才采用這種方法，通常只能調(diào)整電路中元件的值，使振蕩點(diǎn)遠(yuǎn)離工頻和干擾頻率，這里需要注意的是式中各個(gè)量與所用元件的值是有差別的，應(yīng)該是由于布線、焊接以及元器件本身的誤差等原因產(chǎn)生的，所以需要對(duì)各值進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，可更換幾個(gè)不同已知值的L 和C ，用SR780測(cè)量其對(duì)應(yīng)的極大值點(diǎn)來(lái)聯(lián)立計(jì)算出電路中本身存在的阻抗，再計(jì)算出最適合的（使振蕩頻率遠(yuǎn)離工作頻率）電容和電感值。實(shí)際檢測(cè)分析，當(dāng)更換電源中的電感時(shí)，輸出的振蕩頻率與(4)式吻合得較好，這實(shí)際上說(shuō)明對(duì)不同的負(fù)載，只要具體了解負(fù)載的阻抗，通過(guò)調(diào)整電源的阻抗，是可以使振蕩遠(yuǎn)離工頻和干擾頻率的，達(dá)到工作上的要求。

　　另一方面，可以通過(guò)小信號(hào)模型求出電路的輸出阻抗為：

　　2.3 溫度漂移

　　實(shí)驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)若是發(fā)光二極管和三極管在溫度系數(shù)上選擇不當(dāng)，隨著工作時(shí)間的推移，晶體管發(fā)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(fā)光二極管的溫漂大約在2mV ??C 左右，晶體三極管大約為4mV ??C ,由于它們的溫漂有相同的符號(hào)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只要選擇適當(dāng)，就能很好的補(bǔ)償?shù)?，可以將溫漂系?shù)降到10 4 ? 以下，鑒于弱信號(hào)檢測(cè)的電源一般工作在室溫，這樣的溫漂已經(jīng)能夠完全滿足要求。

　　3 SR780檢測(cè)結(jié)果展示及分析：

　　設(shè)計(jì)的電源輸出為：Vo = ± 8V , Io =0 ～00 mA，考慮到電源要同時(shí)要具有較高的穩(wěn)定性和低噪聲、低紋波的要求，所以檢測(cè)選擇的是SR780的最大頻段0-102.4kHz,但實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在頻率>3.2kHz時(shí)，其輸出被SR780背景噪聲所淹沒(méi)，給出電源滿載時(shí)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(shí)輸出噪聲紋波功率頻譜

圖 6 SR780輸入短接的背景噪聲功率頻譜

　　這個(gè)電源的缺陷是輸出電壓不能太高，主要是因?yàn)榘l(fā)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(lián)更多的發(fā)光二極管，這樣會(huì)使電源溫漂難以補(bǔ)償，焊結(jié)點(diǎn)過(guò)多，也容易引入干擾。不過(guò)，只要選擇合適的端電壓發(fā)光二極管，對(duì)常用的±5V 、±12V 、±15V 電壓輸出是沒(méi)有問(wèn)題的，這已經(jīng)能夠滿足現(xiàn)在大部分弱信號(hào)測(cè)量要求了。

　　4 總結(jié)

　　本文研制的低噪聲正負(fù)雙路輸出的線性穩(wěn)壓電源采用價(jià)格低廉的發(fā)光二極管在經(jīng)特殊處理后作為基準(zhǔn)源，大大降低了電源的制作成本，同時(shí)用動(dòng)態(tài)分析儀SR780跟蹤檢測(cè)分析電路中各個(gè)環(huán)節(jié)，以此來(lái)調(diào)整和分析濾波電容和電阻，消除尖峰噪聲和振蕩，輸出紋波噪聲達(dá)到μVrms級(jí)，能夠用作弱信號(hào)檢測(cè)儀器的供電。