電磁屏蔽
消除外來雜訊源對測量固有雜訊極為重要，常見的外來雜訊源包括60Hz電源拾取雜訊，監視器雜訊、交換式電源供應雜訊和無線通訊雜訊。為了屏蔽外來雜訊，受測電路通常會放在屏蔽外殼裏面。屏蔽外殼多半由銅、鐵或鋁製成，而且必須與系統地線相連。
電源線和訊號線多半經由屏蔽外殼上的小孔連接到裏面的電路，這些孔洞應儘量縮小，數量也越少越好。其實外殼接縫、接合點和小孔造成的電磁洩漏是比隔離效果更值得關注的問題 。
圖一是一款製造簡單和效果良好的屏蔽外殼，它是由鋼材質的油漆罐製成，這種罐子在多數五金行都能很便宜購得。油漆罐的接縫相當緊密，但只要把蓋子打開就很容易接觸到受測電路。注意I/O訊號是使用同軸隔離線連接，該同軸線是透過BNC插孔對插孔接頭連接到受測電路，連接器的隔離層則會與油漆罐電性相連。外殼唯一的洩漏路徑是用來將電源連接到受測電路的三個香蕉型接頭。為了獲得最好的屏蔽效果，油漆罐的蓋子必須牢固密封。圖二是以油漆罐為屏蔽外殼的測試電路裝配圖。
檢驗雜訊基準
測量低雜訊系統或零件的輸出雜訊是很常見的雜訊測量目標，然而電路輸出雜訊卻常小到多數標準測試裝置無法對其進行測量。為了解決此問題，受測電路與測試裝置之間常會連接一個低雜訊的訊號增強放大器，如圖三所示。這種架構的關鍵在於訊號增強放大器的雜訊基準（noise floor）必須小於受測電路的輸出雜訊，以免放大器雜訊蓋過受測電路雜訊。經驗規律顯示，訊號增強放大器的雜訊基準至少要比受測電路的輸出雜訊小三倍，我們將在後面解釋這項經驗規律的理論基礎。檢查雜訊基準是雜訊測量過程的一個重要步驟，而雜訊基準的測量方式通常是將增益電路或測量儀器的輸入端短路。本系列的第5篇文章詳細介紹了不同的測量裝置如何測量雜訊基準，不事先檢查雜訊基準常會使測量結果出現誤差。
把雜訊基準列入考慮
要得到最佳測量結果，測量系統的雜訊基準應遠小於所要測量的雜訊強度，使該雜訊基準得以忽略不計。一個常用的經驗規律是，雜訊基準至少要比所測量的雜訊小三倍。圖五顯示如何對測試電路的輸出雜訊和雜訊基準進行向量加法，圖六則是假設受測雜訊比雜訊基準大三倍的誤差分析。利用此經驗規律所得到的最大誤差約在6％左右。若在雜訊基準比受測雜訊小10倍的條件下進行同樣計算，誤差就會減少到0.5％。
利用真實均方根電錶測量OPA627範例電路
本系列的第3和4篇文章曾經分析一個使用OPA627的簡單非反相運算放大器電路，這裡則要說明如何利用真實均方根電錶測量該電路的雜訊。圖七為OPA627的測試電路，注意其測量結果與第3和4篇文章的計算及模擬結果相當吻合（計算結果為325μV，測量結果為346μV）。下面列出了詳細的雜訊測量步驟。
| 《圖七 利用真實均方根電錶測量OPA627電路雜訊》 |
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雜訊測量步驟
1.檢查測量裝置（例如真實均方根數位萬用電錶）的雜訊基準，通常這需要將測量裝置的輸入端短路；
2.檢查規格參數，確保測量裝置的頻寬和讀數精確度都符合要求。參閱產品規格說明，看是否有特殊操作模式能夠提供最精確的讀取值；
3.把受測電路放到屏蔽外殼內。該外殼應與訊號地線相連，外殼上的鑽孔則應儘量縮小；
4.若有可能，則應使用電池電源以將雜訊減到最少。線性電源的雜訊也很小，交換式電源的雜訊通常很大，使用時有可能成為主要的雜訊來源；
5.使用隔離線將受測電路連接到測量裝置；
6.確保電路運作正常。在這個例子裡，OPA627的典型偏移電壓為40μV，電路增益則為100，因此輸出電壓應為4mV直流電壓。這個數字雖會隨著元件不同而有差異，但總不可能出現高達數V的輸出電壓；
7.利用不同的儀器測量雜訊，然後比較它們的結果。使用示波器和真實均方根數位萬用電錶是一種不錯的方法，因為您能在示波器上看到波形，這不僅能用來判斷它們為白雜訊、1/f雜訊、60Hz電源雜訊或振盪，還能讓您大致瞭解峰對峰雜訊強度。相較之下，真實均方根數位萬用電錶雖無法提供雜訊種類的相關資訊，卻能提供精確的均方根雜訊測量結果。頻譜分析儀也是很棒的雜訊分析工具，因為它能顯示個別頻率出現的任何問題，例如雜訊拾取或雜訊峰化；
8.若有可能，則應比較測量結果與計算及模擬結果。通常計算結果與測量結果都相當吻合。
利用示波器測量OPA627範例電路
圖八顯示如何利用示波器測量本系列第3和4篇的電路，您可以透過示波器觀察雜訊波形和估計峰對峰值。假設雜訊為高斯分佈，則只要將峰對峰值除以6即可得到均方根雜訊的估計值（詳情參閱第1篇）。在此例中，示波器的測量結果約為2.4mVp-p，因此均方根雜訊為2.4mVp-p/6＝400μVrms。這與第3和4篇文章的計算與模擬結果相當吻合（計算結果為325μV，測量結果為400μV）。
測量OPA227的低頻雜訊
許多元件資料表都提供0.1Hz到10Hz的峰對峰雜訊，它們有時是示波器波形，有時則會列在規格表，有效讓使用者瞭解運算放大器的低頻特性（如1/f雜訊）。圖九是一種有效的0.1-10Hz雜訊測量方式，該電路將二階0.1Hz高通濾波器與四階10Hz低通濾波器串聯使用，電路增益則為100。由於1/f雜訊預計會很小，所以這裡將受測元件OPA227設為高增益模式（雜訊增益等於1001），以便訊號放大到標準測試裝置所能測量的範圍。注意圖九的總電路增益為100,100（亦即100×1001），因此把輸出除以100,100即可換算為輸入端的訊號強度。
圖十一是圖十所示電路的測量輸出，包括一張從OPA227產品資料表取出的圖。若將測量結果的範圍除以總增益（亦即5mV/100,100＝50nV），即可換算為運算放大器輸入端的範圍。注意雜訊測量曲線相當接近產品資料表曲線，這與預期完全吻合。
偏移電壓溫度漂移與1/f雜訊在低頻雜訊測量中的關係
測量放大器1/f雜訊的難題之一，在於通常很難區別1/f雜訊與偏移電壓溫度漂移。在典型實驗室環境裡，周圍環境溫度會有±3℃的波動。裝置周圍的氣流也會讓偏移電壓出現類似於1/f雜訊的低頻變動。圖十一是OPA132電路在熱穩定環境和典型實驗室環境的輸出比較。假設此運算放大器剛好有最大的溫度漂移，則從元件資料表可算出它在典型實驗室的偏移電壓漂移約為10μV/℃×6℃＝60μV。圖十一的放大器增益為100，所以輸出漂移約為60μV×100＝6mV。
想要區別偏移電壓漂移和1/f雜訊所造成的影響，方法之一是讓元件在熱穩定環境裡接受測試。該環境須能讓元件溫度在整個測量過程中保持不變（變化範圍不超過±0.1C），溫度梯度也要儘量減小。要做到此點，一個簡單方法是在罐裡裝滿非導電性液體，並在測試過程中把整個組件浸在液體內。這類測試經常會使用熱傳導氟化液體，因為它們的電阻抗和熱阻抗都很高，而且是沒有毒性的生物惰性材料 。
| 《圖十二 OPA132在實驗室環境和熱穩定環境的測量結果》 |
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測量OPA627的雜訊頻譜密度曲線
從此系列文章可以發現，頻譜密度規格是非常重要的雜訊分析工具。雖然多數資料表都會提供這項資訊，工程師有時仍會自行測量該曲線以便驗證廠商公佈的數據。圖十三是一個簡單的測試電路，它能測量電壓雜訊的頻譜密度。
這項測量所用的頻譜分析儀頻寬為0.064Hz到100kHz，這樣的頻寬已能測量許多不同放大器在1/f區域和寬頻區域的特性。另外，此項測量還將頻譜分析儀的內部設為直流耦合模式，而不是交流耦合模式，因為它的低頻截止頻率為1Hz，無法提供精確的1/f雜訊讀數。至於運算放大器電路與頻譜分析儀之間，則最好採用交流耦合，這是因為放大器的直流偏移電壓遠大於雜訊電壓。譬如此運算放大器電路就是透過外部耦合電容C1和頻譜分析儀的輸入阻抗R3進行交流耦合。此電路的低頻截止頻率為0.008Hz，遠低於頻譜分析儀的0.064Hz最低頻率，所以不會影響1/f雜訊的測量。注意C1實際上是由多個陶瓷電容並聯組成，本應用不建議使用電解質電容或鉭電容。
圖十三的放大器電路還應考慮回授電路值。本系列的第3篇文章曾利用R1和R2的並聯組合（等效電阻等於R1||R2）來計算熱雜訊和偏壓電流雜訊，該電阻值應儘量減小，讓偏壓電流雜訊和電阻熱雜訊的影響減到可以忽略的程度，這樣所測量到的雜訊就只有運算放大器電壓雜訊。
無論測量任何雜訊，都應確認頻譜分析儀的雜訊基準小於運算放大器電路。像圖十三的電路就將放大器增益設為100，以便讓輸出雜訊高於頻譜分析儀的雜訊基準。記住這種電路架構會限制高頻頻寬（亦即頻寬＝增益頻寬積/增益＝16MHz/100＝160kHz），使得雜訊頻譜密度曲線在頻率較低的位置就開始下滑。幸而圖十三的電路並不會受到此問題的影響，因為它是在頻譜分析儀頻寬的外面開始下滑（亦即雜訊從160kHz開始下滑，但頻譜分析儀的最大頻寬只有100kHz）。
圖十四為頻譜分析儀的測量結果。注意本例中的頻譜分析儀是使用線性掃描方式擷取資料，因此為了得到更精確的資料採集結果，它會將頻率範圍分為0.064Hz到10Hz、10Hz到1kHz、以及1kHz到10kHz等幾個不同部份，再以不同的頻譜分析儀設定值分別掃描這些範圍和擷取資料。舉例來說，如果每隔0.1Hz擷取一次資料，那麼低頻部份的解析度就會很糟，高頻部份則會超過要求。另外，當要掃描的頻率範圍很大時，使用很小的解析度將會產生太多的資料點，譬如在100kHz頻寬下使用0.1Hz解析度會產生多達1×106個資料點。相形之下，若能對不同頻率使用不同解析度，那麼不需擷取太多資料點就能在每個頻率範圍內獲得良好的解析度。例如0.064Hz到10Hz的解析度可設為0.01Hz，1kHz到100kHz則可設為100Hz。
圖十五特別標明了頻譜分析儀測量結果常見的幾種異常。第一種異常是從外部雜訊源拾取的雜訊，此處主要是在60Hz和120Hz拾取的雜訊。另外，頻譜分析儀也經常從內部振盪器拾取雜訊。在理想環境裡，我們可透過屏蔽將雜訊拾取減到最少，可是實際應用卻無法避免這類雜訊拾取。就雜訊分析的角度而言，關鍵仍在於分辨頻譜裡的雜訊尖波是由拾取雜訊造成，或者它們是元件固有雜訊頻譜密度的一部份。
在圖十四所示的頻譜密度圖裡，另一種常見的異常是在測量範圍的最低頻率位置會出現相對較大的誤差。為了進一步瞭解該誤差，讓我們考慮以帶通濾波器掃描整個頻譜的測量方式。例如假設頻率範圍為1Hz到1kHz，帶通濾波器頻寬則為1Hz，那麼它對這個頻率範圍的高頻部份就顯得太窄，對低頻部份則顯得太寬。這表示在掃描低頻部份時，帶通濾波器的邊緣會從1/f雜訊拾取很大的誤差，這種情形如圖十六所示。
瞭解各種測量誤差後，工程師就能採取行動修正這些誤差。舉例來說，他們可將頻率範圍分為幾個部份，分別在其中測量資料，並且摒棄頻率範圍較低部份的一些資料，這樣就能得到更精確的結果。例如此處的0.0625Hz到10Hz頻率範圍就會與10Hz到1kHz的頻率範圍重疊。10Hz到1kHz頻率範圍包含了一些10Hz以下的錯誤資料，這些錯誤資料會被屏棄。測量頻譜密度時可以忽略60Hz雜訊之類的拾取雜訊，因為它不是運算放大器固有雜訊的一部份。
圖十七是本例中測量所得的雜訊頻譜密度曲線，它已刪除異常讀數，並且將測量結果除以測試電路增益值，因此這條曲線是換算至運算放大器輸入端的頻譜密度。最後，這些資料都已經過平均化處理。
比較OPA627的頻譜密度測量結果與元件資料表提供的曲線，就會發現一個值得注意的現象：寬頻雜訊的測量結果與資料表規格相當吻合，但是1/f雜訊的測量結果就與規格有很大不同。其實1/f雜訊與規格之間的差異並不令人意外，本系列的第7篇文章將深入討論這個現象。
結論和預告
本文提供了幾個不同的雜訊測量範例，其中所介紹的測量方法也適用於多數常見的類比電路。本系列的第7篇文章將討論運算放大器內部設計的相關問題，電路板和系統層級的設計人員若能瞭解這些會影響運算放大器內部雜訊的基本關係，就能更深入認識多數資料表未曾列出的許多雜訊特性，這包括最壞情形下的雜訊、雜訊漂移、以及CMOS與雙極性元件之間的差異，它們都將在第7篇文章裡討論。
--作者Art Kay為德州儀器資深應用工程師
附註
[1] Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Second Edition, Published by John Wiley & Sons, Inc.
[2] http://www.solvaysolexis.com
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