【導讀】dianluzhongdezaoshengtongchangdoushiyouhaide，renhehaodianludouyinggaishuchujinkenengdidezaosheng。jinguanruci，zaimouxieqingkuangxia，yigetexingmingqueqiemeiyouqitaxinhaodezaoshengyuanjiushisuoxudeshuchu。

 

問題:

 

能否同時產生所有頻率的頻譜？

 

答案:

 

dianluzhongdezaoshengtongchangdoushiyouhaide
，renhehaodianludouyinggaishuchujinkenengdidezaosheng。jinguanruci，zaimouxieqingkuangxia，yigetexingmingqueqiemeiyouqitaxinhaodezaoshengyuanjiushisuoxudeshuchu。

 

dianlutexingceliangjiushizhezhongqingkuang。xuduodianludeshuchutexingketongguosaomiaoyidingpinlvfanweineideshuruxinhaobingguanceshejidexiangyinglaiceliang。shurusaomiaokeyiyoulisanshurupinlvhuosaopinzhengxianbozucheng。ganjingdejidipinlvzhengxianbo（低於10 Hz）難以產生。處理器、DAC和(he)一(yi)些(xie)複(fu)雜(za)的(de)精(jing)密(mi)濾(lv)波(bo)可(ke)以(yi)產(chan)生(sheng)相(xiang)對(dui)幹(gan)淨(jing)的(de)正(zheng)弦(xian)波(bo)，但(dan)對(dui)於(yu)每(mei)個(ge)頻(pin)率(lv)階(jie)躍(yue)，係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)穩(wen)定(ding)下(xia)來(lai)，使(shi)得(de)包(bao)含(han)許(xu)多(duo)頻(pin)率(lv)的(de)順(shun)序(xu)全(quan)掃(sao)描(miao)很(hen)緩(huan)慢(man)。測(ce)試(shi)較(jiao)少(shao)的(de)離(li)散(san)頻(pin)率(lv)可(ke)能(neng)較(jiao)快(kuai)，但(dan)會(hui)增(zeng)加(jia)跳(tiao)過(guo)高(gao)Q現象所在的關鍵頻率的風險

 

白噪聲發生器比掃頻正弦波更簡單、更快速，因為它能高效地同時產生幅度相同的所有頻率。在被測器件(DUT)的輸入端施加白噪聲可以快速產生整個頻率範圍上的頻率響應概貌。在這種情況下，不需要昂貴或複雜的掃頻正弦波發生器。隻需將DUT輸出連接到頻譜分析儀並觀察即可。使用更多的均值操作和更長的采集時間，產生的目標頻率範圍上的輸出響應就更精確。

 

DUT對白噪聲的預期響應是頻率整形的噪聲。以這種方式使用白噪聲可以快速暴露出意外行為，例如怪異的頻率雜散、奇怪的諧波以及不希望出現的頻率響應偽像。

 

此ci外wai，細xi心xin的de工gong程cheng師shi可ke利li用yong白bai噪zao聲sheng發fa生sheng器qi測ce試shi測ce試shi儀yi。測ce量liang頻pin率lv響xiang應ying的de實shi驗yan室shi設she備bei在zai測ce量liang已yi知zhi平ping坦tan的de白bai噪zao聲sheng發fa生sheng器qi時shi應ying產chan生sheng平ping坦tan的de噪zao聲sheng曲qu線xian。

 

在實際應用方麵
，白噪聲發生器易於使用；體積小，足以實現緊湊的實驗室設置；便於攜帶，適合現場測量；並(bing)且(qie)價(jia)格(ge)低(di)廉(lian)。具(ju)有(you)大(da)量(liang)設(she)置(zhi)的(de)高(gao)質(zhi)量(liang)信(xin)號(hao)發(fa)生(sheng)器(qi)非(fei)常(chang)靈(ling)活(huo)，十(shi)分(fen)吸(xi)引(yin)人(ren)。但(dan)是(shi)，多(duo)功(gong)能(neng)性(xing)會(hui)妨(fang)礙(ai)快(kuai)速(su)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)測(ce)量(liang)。設(she)計(ji)良(liang)好(hao)的(de)白(bai)噪(zao)聲(sheng)發(fa)生(sheng)器(qi)不(bu)需(xu)要(yao)任(ren)何(he)控(kong)製(zhi)，卻(que)能(neng)產(chan)生(sheng)完(wan)全(quan)可(ke)預(yu)測(ce)的(de)輸(shu)出(chu)。

 

噪聲討論

 

dianzurezaosheng，youshichengweiyuehanxunzaoshenghuonaikuisitezaosheng
，shiyoudianzuneibudianhezaizidereraodongchanshengde。cizaoshengdazhishibaizaosheng，jiejingaosifenbu。zaidianxuefangmian，zaoshengdianyamiduyouxiashigeichu：

 

 

其中，k_B為波爾茲曼常數
，T為溫度（單位K）
，R為電阻。噪聲電壓是由流過基本電阻的電荷的隨機移動引起的（大致為R × I_NOISE）。表1顯示了20°C時的一些例子。

 

表1. 各種電阻的噪聲電壓密度

 

一個10 MΩ電阻就代表一個402 nV/√Hz寬帶電壓噪聲源與標稱電阻串聯。R和T的變化僅以平方根形式影響噪聲，所以放大後的電阻衍生噪聲源相當穩定
，可作為實驗室測試噪聲源。例如，從20°C改變為6°C時，電阻從293 kΩ變為299 kΩ。噪聲密度與溫度的平方根成正比
，因此6°C的溫度變化引起的噪聲密度變化相對較小
，約為1%。同樣，對於電阻，2%的電阻變化引起1%的噪聲密度變化。

 

考慮圖1：一個10 MΩ電阻R1在運算放大器的正端產生白色高斯噪聲。電阻R2和R3放大該噪聲電壓並送至輸出端。電容C1濾除斬波放大器電荷毛刺。輸出是一個10 μV/√Hz白噪聲信號。

 

本例中增益(1 + R2/R3)較高
，為21 V/V。

 

即使R2很高(1 MΩ)
，來自R2的噪聲與放大後的R1噪聲相比也是無關緊要的。

 

圖1. 白噪聲發生器的完整原理圖。低漂移微功耗LTC2063放大R1的約翰遜噪聲。

 

電路的放大器必須具有足夠低的折合到輸入端電壓噪聲，以便讓R1作zuo為wei主zhu要yao噪zao聲sheng源yuan。原yuan因yin是shi電dian阻zu噪zao聲sheng應ying主zhu導dao電dian路lu的de整zheng體ti精jing度du，而er不bu是shi放fang大da器qi。出chu於yu相xiang同tong的de原yuan因yin
，電dian路lu的de放fang大da器qi必bi須xu具ju有you足zu夠gou低di的de折zhe合he到dao輸shu入ru端duan電dian流liu噪zao聲sheng，以yi避bi免mian(IN × R2)接近（R1噪聲 × 增益）。

 

白噪聲發生器中可接受多少放大器電壓噪聲？

 

表2顯示了增加獨立信號源引起的噪聲增加。從402 nV/√Hz到502 nV/√Hz的變化按對數算隻有1.9 dB，或0.96功率dB。運算放大器噪聲約為電阻噪聲的50%


，運算放大器VNOISE的5%不確定性僅讓輸出噪聲密度改變1%。

 

表2. 運算放大器噪聲貢獻

 

白(bai)噪(zao)聲(sheng)發(fa)生(sheng)器(qi)隻(zhi)能(neng)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)沒(mei)有(you)會(hui)產(chan)生(sheng)噪(zao)聲(sheng)的(de)電(dian)阻(zu)的(de)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)。這(zhe)種(zhong)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)必(bi)須(xu)具(ju)有(you)平(ping)坦(tan)的(de)噪(zao)聲(sheng)曲(qu)線(xian)。但(dan)是(shi)，噪(zao)聲(sheng)電(dian)壓(ya)往(wang)往(wang)不(bu)能(neng)精(jing)確(que)定(ding)義(yi)，並(bing)且(qie)隨(sui)著(zhe)生(sheng)產(chan)、電壓和溫度的不同而有很大的差異。

 

其他白噪聲電路可能基於齊納二極管工作，但其可預測性非常差。不過，對於μA電流，尋找最佳齊納二極管以獲得穩定噪聲可能很困難，尤其是在低電壓(<5V)情況下。

 

一些高端白噪聲發生器基於長偽隨機二進製序列(PRBS)和特殊濾波器。使用小型控製器和DAC可能就足夠了；但是，要確保DAC不產生建立毛刺、諧波或交調產物，可能隻有富有經驗的工程師才能勝任。另外，選擇最合適的PRBS序列也會增加複雜性和不確定性。

 

低功耗零漂移解決方案

 

此項目主要有兩個設計目標：

 

●     一款易於使用的白噪聲發生器必須是便攜式的，也就是采用電池供電
，這意味著其必須是微功耗電子設備。

●     發生器必須提供均勻的噪聲輸出，哪怕頻率低於0.1 Hz及以上。

 

考慮到上述噪聲討論及這些關鍵限製條件
，LTC2063低功耗零漂移運算放大器符合這一要求。

 

圖2. 袖珍型白噪聲發生器原型

 

10 MΩ電阻的噪聲電壓為402 nV/√Hz，LTC2063的噪聲電壓大約為其一半。10 MΩ電阻的噪聲電流為40 fA/√Hz，LTC2063的噪聲電流小於其一半。LTC2063的典型電源電流為1.4μA，並且總電源電壓可降至1.7 V（額定電壓為1.8 V）
，因此LTC2063對電池應用是非常理想的。根據定義，低頻測量需要很長的建立時間，因此該發生器必須由電池長時間供電。

 

LTC2063輸入端的噪聲密度約為200 nV/√Hz，噪聲在整個頻率範圍內可預測且保持平坦（±0.5 dB以內）。假設LTC2063的噪聲是熱噪聲的50%
，而運算放大器電壓噪聲改變5%
，則輸出噪聲密度僅改變1%。

 

設計保證零漂移運算放大器沒有1/f噪聲。有些器件比其他更好
，而更常見的是，寬帶規格錯誤或1/f噪聲遠高於數據手冊中給出的值
，特別是對於電流噪聲。一些零漂移運算放大器的數據手冊噪聲曲線不會下降到mHz頻率區域
，可能是為了掩蓋1/f噪zao聲sheng。斬zhan波bo穩wen定ding運yun算suan放fang大da器qi可ke能neng是shi解jie決jue辦ban法fa
，它ta能neng在zai超chao低di頻pin率lv時shi讓rang噪zao聲sheng保bao持chi平ping坦tan。另ling外wai
，高gao頻pin噪zao聲sheng凸tu起qi和he開kai關guan噪zao聲sheng不bu得de損sun害hai性xing能neng。這zhe裏li顯xian示shi的de數shu據ju支zhi持chi使shi用yongLTC2063來應對這些挑戰。

 

電路說明

 

薄膜R1 (Vishay/Beyschlag MMA0204 10 MΩ)產生大部分噪聲。MMA0204是少數幾個兼具高品質和低成本的10 MΩ選擇之一。原則上，R1可以是任何10 MΩ電阻，因為信號電流非常小，所以可忽略1/f噪聲。對於該發生器的主要元件
，最好避免使用精度或穩定性可疑的低成本厚膜芯片。

 

為獲得最佳精度和長期穩定性，R2、R3或RS可以是0.1%薄膜電阻，例如TE CPF0603。C2/C3可以是大多數電介質電容中的一種；C0G可用來保證低漏電流。

 

圖3. 裝置布局

 

部署詳情

 

環路麵積R1/C1/R3應減至最小，以確保EMI抑製性能最佳。此外，R1/C1應該加以很好的屏蔽，以防電場影響，這將在EMI考量部分進一步討論。盡管不是很關鍵，但R1應避免較大溫度變化。有了良好的EMI屏蔽，熱屏蔽往往是足夠的。

 

應避免VCM範圍內的LTC2063軌到軌輸入電壓躍遷區域
，因為交越可能產生較高且穩定性較差的噪聲。為獲得最佳效果，V+至少應使用1.1 V

，輸入共模電壓為0。

 

請注意

，10 kΩ的RS似乎很高，但微功耗LTC2063具有較高輸出阻抗
，即使10 kΩ也不會將LTC2063與其輸出端的負載電容完全解耦。對於該白噪聲發生器電路，導致峰化的一些輸出電容可以是設計特性，而不是危險。

 

輸出端看到的是10 kΩ RS和一個50 nF接地電容CX。此電容CX將與 LTC2063dianluxianghuzuoyong
，daozhipinlvxiangyingchuxianfenghua。cifenghuakeyonglaikuozhanfashengqidepingtandaikuan，jiuxiangkuoyinqizhongdekongyankuodaxiaduanyiyang。jiasheshiyonggaozukangfuzai(>100 kΩ)

，因為低阻抗負載會顯著降低輸出電平，並且還可能影響峰化。

 

可選調諧

 

在高頻限值時
，有幾個IC參數（例如ROUT和GBW）會影響平坦度。如果不使用信號分析儀，CX的推薦值為47 nF，這通常會產生200 Hz至300 Hz (-1 dB)的帶寬。

 

不過，CX可以針對平坦度或帶寬進行優化
，典型值為CX = 30 nF至50 nF。要獲得更寬的帶寬和更高的峰值，請使用較小的CX。要使響應衰減更快，請使用較大的CX。

 

關鍵IC參數與運算放大器電源電流有關，低電源電流的器件可能需要稍大的CX
，而高電源電流的器件很可能需要小於30 nF的電容，同時實現更寬的平坦帶寬。

 

這裏的曲線突出顯示了CX值如何影響閉環頻率響應。

 

測量

 

輸出噪聲密度與CX（RS = 10 kΩ，±2.5 V電源）的關係如圖4所示。輸出RC濾波器能有效消除時鍾噪聲。該圖顯示了CX = 0和CX = 2.2 nF/10 nF/47 nF/68 nF時輸出與頻率的關係。

 

圖4. 圖1所示設計的輸出噪聲密度

 

CX = 2.2 nF時表現出輕微的峰化，而CX = 10 nF時峰化最強，然後隨著CX增大逐漸下降。CX = 68 nF的跡線顯示沒有峰化，但平坦帶寬明顯較低。最佳結果是CX約為47 nF時；時鍾噪聲比信號電平低三個數量級。由於垂直分辨率有限

，無法精確判斷輸出幅度平坦度與頻率的關係。該圖使用±2.5 V電池電源產生
，但設計允許使用兩枚紐扣電池（約±1.5 V）。

 

圖5的Y軸表示放大後的平坦度。對於許多應用，1 dB以內的平坦度即夠用，<0.5 dB比較典型。這裏，CX = 50 nF最佳（RS = 10 kΩ，VSUPPLY ± 1.5 V）；CX = 45 nF，不過55 nF也可以接受。

 

圖5. 圖1所示設計的輸出噪聲密度的放大視圖

 

高分辨率平坦度測量需要時間；對於此曲線（10 Hz到1 kHz，平均1000次），每條跡線大約花費20分鍾。標準解決方案使用CX = 50 nF。所示的43nF、47nF和56nF跡線（全部CS < 0.1%容差）與最佳平坦度相比有很小但明顯的偏差。添加CX = 0的橙色曲線以表明峰化提高了平坦帶寬（對於Δ= 0.5 dB
，從230 Hz提高到380 Hz）。

 

對於恰好50 nF電容，串聯2 × 0.1μF C0G可能是最簡單解決方案。0.1μF C0G 5% 1206很容易從Murata、TDK和Kemet購得。另一種選擇是47 nF C0G（1206或0805）；此器件更小，但可能不那麼常見。如前所述，最佳CX隨實際IC參數而變化。

 

我們還檢查了平坦度與電源電壓的關係，參見圖6。標準電路為±1.5 V。將電源電壓改變為±1.0 V或±2.5 V時，峰化有較小變化
，平坦度也有較小變化（因為VN隨電源而變化，熱噪聲占優勢）。在整個電源電壓範圍內，峰化和平坦度的變化均為約0.2 dB。該曲線表明，當電路由兩個小電池供電時，幅度穩定性和平坦度良好。

 

圖6. 各種電源電壓對應的輸出噪聲密度

 

對於此原型，電源電壓為±1.5 V時
，平坦度在0.5 dB以內
，頻率最高約為380 Hz。在±1.0 V電源下，平坦度和峰化略有增加。對於±1.5 V至±2.5 V電源電壓，輸出電平沒有明顯變化。總Vp-p（或V rms）輸出電平取決於固定的10μV/√Hz密度以及帶寬。此原型的輸出信號約為1.5 mV p-p。在某些非常低的頻率（mHz範圍），噪聲密度可能會超過規定的10μV/√Hz。對於此原型，已經證實在0.1 Hz時，噪聲密度仍然保持在10μV/√Hz。

 

就穩定性和溫度而言，熱噪聲占主導地位
，因此對於T = 22 (±6)°C，幅度變化為±1%，這一變化在圖上幾乎不可見。

 

EMI考量

 

該原型使用帶聚酰亞胺絕緣層的小銅箔作為屏蔽層。此箔片或翼片纏繞在輸入元件(10 M + 22 pF)周圍
，並焊接到PCB背麵的接地端。改變翼片的位置對EMI靈敏度和低頻(LF)雜散風險有顯著影響。實驗表明，偶爾出現的低頻雜散是由EMI引(yin)起(qi)的(de)，該(gai)雜(za)散(san)可(ke)通(tong)過(guo)非(fei)常(chang)好(hao)的(de)屏(ping)蔽(bi)來(lai)防(fang)止(zhi)。使(shi)用(yong)翼(yi)片(pian)，在(zai)沒(mei)有(you)任(ren)何(he)附(fu)加(jia)高(gao)導(dao)磁(ci)合(he)金(jin)屏(ping)蔽(bi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，原(yuan)型(xing)在(zai)實(shi)驗(yan)室(shi)中(zhong)的(de)響(xiang)應(ying)很(hen)幹(gan)淨(jing)。頻(pin)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)上(shang)沒(mei)有(you)出(chu)現(xian)主(zhu)電(dian)源(yuan)噪(zao)聲(sheng)或(huo)其(qi)他(ta)雜(za)散(san)。如(ru)果(guo)信(xin)號(hao)上(shang)出(chu)現(xian)過(guo)多(duo)的(de)噪(zao)聲(sheng)，則(ze)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)額(e)外(wai)的(de)EMI屏蔽。

 

當使用外部電源而非電池時
，共模電流很容易加到信號上。建議將儀器接地與實心導線連接

，並在發生器的供電線中使用CM扼流圈。

 

限製

 

總有一些應用需要更多帶寬，例如完整音頻範圍或超聲波範圍。在幾μA的電源電流下
，更高的帶寬並不現實。憑借大約300 Hz至400 Hz的平坦帶寬，基於LTC2063電阻噪聲的電路可用於測試某些儀器的50 Hz/60 Hz主電源頻率，例如地震檢波器應用。該範圍適合測試各種VLF應用（例如傳感器係統），因為頻率範圍低至0.1 Hz以下。

 

輸出信號電平較低(<2 mV p-p)。後續的LTC2063配置為具有5倍增益的同相放大器
，加上另一個RC輸出濾波器，可提供同樣受控的300Hz平坦寬帶噪聲輸出，而且幅度更大。在不能使閉環頻率範圍最大化的情況下，反饋電阻兩端的電容可以降低整體帶寬。在這種情況下
，RS和CX的影響在閉環響應的邊緣較小，甚至可以忽略。

 

結語

 

本文所述的白噪聲發生器是一種小型但重要的工具。隨著測量時間的延長，低頻應用的標準儀器——一種簡單、可靠、便攜的設備
，幾乎可以瞬時完成電路特性測量——成(cheng)為(wei)工(gong)程(cheng)師(shi)工(gong)具(ju)箱(xiang)中(zhong)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)補(bu)充(chong)工(gong)具(ju)。與(yu)具(ju)有(you)眾(zhong)多(duo)設(she)置(zhi)的(de)複(fu)雜(za)儀(yi)器(qi)不(bu)同(tong)，該(gai)發(fa)生(sheng)器(qi)不(bu)需(xu)要(yao)用(yong)戶(hu)手(shou)冊(ce)。這(zhe)種(zhong)特(te)殊(shu)設(she)計(ji)的(de)電(dian)源(yuan)電(dian)流(liu)很(hen)低(di)
，這(zhe)對(dui)於(yu)長(chang)時(shi)間(jian)VLF應用測量中的電池供電操作至關重要。當電源電流非常低時，不需要開關。采用電池工作的發生器還能防止共模電流。

 

本設計中使用的LTC2063低功耗零漂移運算放大器是滿足項目限製要求的關鍵。它支持使用由簡單同相運算放大器電路放大的噪聲產生電阻。

 

 

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