一种低噪声直流电压源的制作方法

本发明涉及一种低噪声直流电压源，属于直流电压源降噪领域。

背景技术：

当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，而大部分电子设备需要的是直流电能，基本上全部的电子用品都使用稳压器电源供电。而且小型精密电子设施还需要电源非常纯净，尽可能小的波纹和噪声，避免对电子设备正常工作造成不良的影响。噪声非常低的电压源和电流源通常是低频噪声测量系统的一部分。特别是,这些电压或电流源为偏压测试的设备，必须具有非常低的噪音水平的背景噪音系统。尤其是对一些敏感的电子器件来说，对于噪声的要求非常高，而电源噪声的引入则会造成整个电路中的噪声增加。在精密仪器、雷达等系统中，需要为低噪声微波放大器、电光调制器和光电探测器提供极低噪声的电源电压或偏置电压，从而减小电压噪声向信号噪声的耦合，提高电路的精确程度。世界各国对于低噪声稳压电压源的研究都十分重视。但是现在常用的市售稳压芯片(例如LM2940)的噪声电压(DC至40kHz)一般为-125～-130dBV/sqrt(Hz)，不能满足高性能系统的要求。

前人在这方面已经做了一些努力，在过去的设计和实现非常低噪声电压或电流源中，可以降低前面提到的一些缺陷，但是结合前馈的方法，其达到的性能可以进一步进行优化，得到性能更加优秀的电压源，这对于应用直流电源的电路设计来说，尤其是对于噪声要求比较高的电路来说是性能上十分重要的提高。因此，本文的主要内容即是设计性能优越的低噪声电压源电路，并对其数据进行测量和分析，以期达到使设计电路可应用于实际的目的。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种低噪声直流电压源，降低直流电压源的噪声，并且结构简单性价比高。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种低噪声直流电压源，包括串联的稳压源和LC网络，还包括与LC网络并联的前馈补偿网络，所属前馈补偿网络将稳压源的噪声在输出端与原噪声相抵消。

优选地，所述前馈补偿网络为减法器。所述减法器包括第一电容、以及由运放和第一电阻、第二电阻组成的比例减法器；

其中第一电容一端连接LC网络的输入端，另一端连接到运放的一个输入端，运放的输出端同样输出至负载，并与LC网络的输出端连接。

优选地，所述LC网络包括第二电容、第一电感和第三电容，其中第二电容一端接地，另一端与第一电感连接；

其中第一电感另一端与第三电容连接，而第三电容的另一端接地。

优选地，所述稳压源为LM2940芯片。

有益效果：本发明通过LC网络起到降低噪声的作用，同时可以稳定电路电压；其次利用前馈补偿网络将稳压源的噪声反相，然后在输出端再与稳压源噪声相加，进一步降低电源噪声。根据仿真实验可以发现，采用前馈的方式的电压源，可以将现有常用市售稳压芯片的噪声降低20dB左右，因而本发明具有很高的实用及研究价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电路拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明低噪声直流电压源包括三个部分，即稳压源、LC网络和前馈补偿网络。

如图2所示，稳压源是一块稳压芯片U3。外接电压VCC提供电源给稳压芯片U3。稳压芯片U3采用LM2940芯片。输入电压u_i输入稳压芯片U3，再由稳压芯片U3输出第一直流电压。此时的第一直流电压含有大量噪声，根据仿真结果，第一直流电压在40KHz左右的噪声功率大约为-110dB。

LC网络包括第二电容C2、第一电感L1和第三电容C3，其中第二电容C2一端接地，另一端与第一电感L1连接。第一电感L1另一端与第三电容C3连接，而第三电容C3的另一端接地。第二电容C2为10nF，第三电容C3为10nF，第一电感L1为100uH。稳压芯片U3输出的第一直流电压加载到第二电容C2与第一电感L1的公共节点处，第二电容C2与第一电感L1的公共节点作为LC网络的输入端。而第三电容C3与第一电感L1的公共节点作为LC网络的输出端输出至负载。第二电容C2和第三电容C3起到稳压作用，当电压不稳定时，可以暂时作为放电电容使电压更加稳定。第一电感L1起到通直流、阻交流的作用。

前馈补偿网络包括第一电容C1、以及由运放U1和第一电阻R1、第二电阻R2组成的比例减法器。其中第一电容C1一端连接LC网络的输入端，另一端连接到运放的一个输入端。运放的输出端同样输出至负载，并与LC网络的输出端连接。第一电容C1为10nF，第一电阻R1为40kΩ，第二电阻R2为10kΩ。

前馈补偿网络与LC网络并联，第一直流电压及其噪声同时输入LC网络和前馈补偿网络，同时前馈补偿网络与LC网络又同时将噪声输出到负载。由于前馈补偿网络是一个减法器，因此LC网络输出的噪声与前馈补偿网络输出的噪声相位相反，在负载处反相相加相互抵消。

由电路连接并根据欧姆定律以及基尔霍夫定律可得：

$I_{c1}=\frac{u_o}{R1+R2}$

$u_i=I_{c1}\·\frac{jwC1\·R1}{R1+jwC1}$

上式中I_c1为流过第二电阻R2的电流，继续我们可以获得LC网络的传递函数为

$\frac{u_0}{u_i}=\frac{(R1+R2)(R1+jwC1)}{jwC1R1}$

上式中，u_o为低噪声直流电压源的输出电压，u_i为低噪声直流电压源的输入电压。

最后经过噪声补偿的第一直流电压被电压增益为10v/v的第二放大器A2放大后成为输出电压u_o。

通过电路仿真可以得到具体噪声的测量结果。我们可以发现，相比于市售常用稳压芯片-125dB的噪声。本发明经过前馈补偿网络的噪声补偿后输出噪声有明显的降低，在40kHz的时候噪声仅为约-158dB，有20dB左右的噪声降低。