低噪声电源的研制和检测

　　1 引言

　　在弱信号检测中，检测系统自身要有很低的噪声输出和较高的稳定等特性，要满足这些条件，其供电系统的高稳定、低噪声是基本要求之一。目前国内外市场上的高精密正负双路输出电源主要采用基准稳压芯片作基准源，其噪声特性不够理想，价格相对较高。同时此类电源在特定负载下容易发生振荡，使得一种电源只能作为特定仪器的专用电源，制约了其适用性。国内的弱信号检测虽然起步相对较晚，但随着其的迅速发展，弱信号检测仪相继谱及，对低噪声低纹波电源的需要也将越来越大。

　　2 电路构架和关键技术

图 1 电路基本构架

　　图 1是电路基本构架，用的是两级稳压的电子滤波电路,此电路的特点是纹波噪声特性好，体积小。电路各模块以动态分析仪SR780来检测分析进行改进，使输出噪声达到最理想效果。动态分析仪SR780是美国斯坦福大学研制，它有0Hz-102.4kHz检测带宽, 90dB动态范围, 最小输入噪声密度可达（200Hz内），完全能满足设计上的检测精度的要求。

　　2.1 结构上的几点关键处理

　　为了使电源的输出达到低噪声的输出，并提高其稳定特性，主要作了以下几点关键处理：

　　1）尖峰噪声的削除。在整流电桥的各个二极管分别并联特定值的RC，目的是抑制内部整流二极管反向恢复期间引起的尖峰噪声(图 2中虚线)。实测表明，电源输出功率越大，尖峰越明显。这里电容一般取0.01μ 。用于抑制振荡的电阻在100 Ω 左右，若需要使其噪声特性最好，用示波器观测调整电阻其输出达到最佳即可。

图 2 整流滤波产生的尖峰噪声

图 3 SR780检测不同电流下所用发光二极管的噪声功率谱

　　2) 基准源由恒流源和去光电效应的几个发光二极管组成。发光二极管价格低，噪声特性好。为了达到最好的噪声输出，对所选用的发光二极管噪声与其通电电流的关系作了系统的测量和研究。用SR780检测其噪声随电流变化如图 3，可见其噪声是随着通电电流的增大而先减小后增大，在3mA处该发光二极管噪声最小（换算成噪声电压有效值约为0.3μVrms（0-800Hz））。可选用2SK30作为恒流源，预稳压级（可以用市场上较为廉价的三端稳压器件，也能满足要求）为其提供稳定的电压，保证了其输出电流恒定不变。

　　对现有的发光二极管的噪声进行检测时发现在适合电流下，其噪声< 0.3μVrms，有资料显示有的发光二极管噪声甚至<1nVrms ，相比目前的主流低噪声基准源的噪声在1μVrms左右（如ADR43系列在0.1Hz-10Hz噪声约为0.5μVrms，具有一定的优势。

　　在检测其噪声时还发现发光二极管有比较明显的光电效应，当外界光照强度变化时，用万用表检测，其端电压随着光强有近几个毫伏的变化。为消除其光电效应，达到输出电压稳定、噪声低的目的，设计一个大小合适的盒子发光二极管封装在里面，并将盒子内壁涂上沥青。

　　3) 把减流限流保护从输出端移到预稳压级。这样做一是相当于将输出阻抗减小了限流保护电阻的大小，提高了其负载调整率。二是相当于移开了一个意外热源（当电源意外过载，限流保护开始工作，作为限流的晶体管肯定会散出热量），避开了对后级低噪声器件的干扰，提高电源稳定度。

　　2.2 对特定负载产生振荡的分析

　　当电源电路的阻抗与负载的阻抗匹配时，会在某些频率产生振荡，而引起精密电源振荡的振荡源一般为小信号，为了尽可能减小甚至消除这种振荡，对电源进行小信号建模分析,希望能从中找到一些解决方法。由于这个电源的低纹波、低噪声的输出主要是由次级稳压来实现，所以选择次级稳压的正输出进行小信号建模分析（图 4）：

图 4 次级稳压的小信号模型

　　设预稳压级输出的纹波使恒流源输出电流波动为，进而使作为基准源的发光二极管组电压波动为，输入达林顿连接的基极电流波动，如图 4,由电路可得：

　　基准源纹波：

　　纹波增益表达式为：

　　为方便讨论和说明，设负载为纯阻性的（其他类型的负载，可用此分析方法作为参照），则令,并忽略较小项可得：

　　这个式子我们非常熟悉，它与有负载的LC低通滤波电路的传输函数的幅值有相同的表达形式，令其对ω 一阶导为零，可求得其极大点处ω 的值：

　　从(4)式可知，只要L 取得足够大，使根号内的值<0,则振荡点不存在，但L 大代表着电感的体积大，这是难以接受的，一般在体积允许的情况下，才采用这种方法，通常只能调整电路中元件的值，使振荡点远离工频和干扰频率，这里需要注意的是式中各个量与所用元件的值是有差别的，应该是由于布线、焊接以及元器件本身的误差等原因产生的，所以需要对各值进行准确的测量，可更换几个不同已知值的L 和C ，用SR780测量其对应的极大值点来联立计算出电路中本身存在的阻抗，再计算出最适合的（使振荡频率远离工作频率）电容和电感值。实际检测分析，当更换电源中的电感时，输出的振荡频率与(4)式吻合得较好，这实际上说明对不同的负载，只要具体了解负载的阻抗，通过调整电源的阻抗，是可以使振荡远离工频和干扰频率的，达到工作上的要求。

　　另一方面，可以通过小信号模型求出电路的输出阻抗为：

　　2.3 温度漂移

　　实验检测发现若是发光二极管和三极管在温度系数上选择不当，随着工作时间的推移，晶体管发热，电源输出多则有0.5V 的漂移。但只要做一下选择，这是完全可以改善的。通常发光二极管的温漂大约在2mV ??C 左右，晶体三极管大约为4mV ??C ,由于它们的温漂有相同的符号，实验发现只要选择适当，就能很好的补偿掉，可以将温漂系数降到10 4 ? 以下，鉴于弱信号检测的电源一般工作在室温，这样的温漂已经能够完全满足要求。

　　3 SR780检测结果展示及分析：

　　设计的电源输出为：Vo = ± 8V , Io =0 ～00 mA，考虑到电源要同时要具有较高的稳定性和低噪声、低纹波的要求，所以检测选择的是SR780的最大频段0-102.4kHz,但实测发现，在频率>3.2kHz时，其输出被SR780背景噪声所淹没，给出电源满载时输出噪声纹波功率谱密度在3.2kHz以下如图 5，有效值为：

图 5 电源满载时输出噪声纹波功率频谱

图 6 SR780输入短接的背景噪声功率频谱

　　这个电源的缺陷是输出电压不能太高，主要是因为发光二极管端电压不高，一般为2-3V，要使输出较高的电压，就得串联更多的发光二极管，这样会使电源温漂难以补偿，焊结点过多，也容易引入干扰。不过，只要选择合适的端电压发光二极管，对常用的±5V 、±12V 、±15V 电压输出是没有问题的，这已经能够满足现在大部分弱信号测量要求了。

　　4 总结

　　本文研制的低噪声正负双路输出的线性稳压电源采用价格低廉的发光二极管在经特殊处理后作为基准源，大大降低了电源的制作成本，同时用动态分析仪SR780跟踪检测分析电路中各个环节，以此来调整和分析滤波电容和电阻，消除尖峰噪声和振荡，输出纹波噪声达到μVrms级，能够用作弱信号检测仪器的供电。