高阻器件低頻噪聲測試技術(shù)與應(yīng)用研究--低頻噪聲測試技術(shù)理論(三)

圖2.8中R _I是隔離電阻，S _I和S _V分別代表電流放大器和電壓放大器。為了便于分析，我們認為R I是只含有熱噪聲而無1/f噪聲的理想電阻。在實際情況中我們也總是將R I的噪聲忽略，因為隔離電阻通常選用1/f噪聲可忽略的繞線電阻或金屬膜電阻。R x是待測樣品的等效阻抗，V x是被測樣品上的壓降，V是由電池構(gòu)成的直流源，用于激發(fā)樣品中的低頻噪聲。在實際情況中電池的噪聲很低，所以我們總是將V的噪聲忽略。為了便于說明，我們將電流放大器S I和電壓放大器S V接入同一個電路。電流放大器在噪聲測試中是串聯(lián)接入測試回路的，而電壓放大器要與被測樣品并聯(lián)。在電路中通常不考慮電流放大器上的壓降，將電流放大器兩輸入端近似看作短路，因為實際情況中電流放大器兩輸入端之間是虛短路的狀態(tài)，其等效電阻近似為零。同樣我們也不考慮電壓放大器上的電流分流，將其兩輸入端近似看作絕緣，因為實際電壓放大器的輸入阻抗極大。由圖2.8我們得到如下公式：

我們將樣品R x的噪聲源等效為一個可變電阻，其變化為ΔR x，由ΔR x產(chǎn)生的電流噪聲為ΔI，電壓噪聲ΔV x。這樣對（2-12）式兩邊微分，可得如下兩個等式：

當(dāng)忽略熱噪聲和放大器的背景噪聲時，由（2-13）和（2-14）經(jīng)變換在頻域可以得到：

從對上式的分析我們可以得到兩種情況：

①當(dāng)隔離電阻的阻值遠小于被測電阻，即滿足R_I/R_X→0時，電壓噪聲Sv趨近于零。

②當(dāng)隔離電阻的阻值遠大于被測電阻，即滿足R_X/R_I→0時，電流噪聲S I趨近于零，而電壓噪聲流噪聲達到最大值。

在實際情況中，作為隔離電阻的繞線電阻或金屬膜電阻阻值有限，遠小于高阻器件的阻值，符合上述第一種情況。因此在測試高阻器件的噪聲時，電流噪聲測試方法具有獨特的優(yōu)勢。

（2）測試電路、待測樣品必須放置在能夠屏蔽干擾的金屬盒中

放置樣品和測試電路的儀器外殼須由即導(dǎo)磁又導(dǎo)電的封閉金屬盒制作。這樣做可以增強噪聲信號對空間電場的抵抗力，防止測試時發(fā)生噪聲信號漂移嚴重和無法穩(wěn)定的問題。通常為了增加適配器的抗干擾能力，選擇變壓器外殼的合金鋼這種高導(dǎo)電導(dǎo)磁材料會達到比銅或鋁盒制成的屏蔽盒更好的屏蔽效果。

（3）激發(fā)噪聲的直流信號源必須采用電池

激發(fā)噪聲信號的直流電源不能使用一般的交流轉(zhuǎn)直流裝置。因為精度再高的直流源也會產(chǎn)生一些少量的50Hz或60Hz交流分量。為了避免這些交流干擾，最好的方法是使用直流電池。

（4）電路中的電阻要選擇低噪聲電阻。

電路中限流電阻或分壓電阻必須選擇繞線電阻或金屬膜電阻，原因如下：很多電阻除了有熱噪聲外，同樣還會產(chǎn)生一些1/f噪聲甚至爆裂噪聲，這些噪聲來源于電阻中導(dǎo)電微粒的不連續(xù)性，會混入被測器件的低頻噪聲信號，影響測試。

圖2.9是各種電阻的噪聲系數(shù)，該系數(shù)越小，表明電阻噪聲越小。從圖中可以看出，繞線電阻和金屬膜電阻噪聲系數(shù)相對較小，所以噪聲測量中應(yīng)采用這兩種電阻作為分壓或限流電阻。

（5）放大器本底噪聲要非常低。

理想放大器在輸入為零的時候，輸出應(yīng)該為零。但實際中的任何放大器都無法做到這一點，即在輸入短路的情況下會出現(xiàn)輸出噪聲，這種噪聲就是放大器的本底噪聲。放大器的本底噪聲和所需測試的樣品的低頻噪聲是兩個不相關(guān)的隨機信號，因此最終測試得到的信號會是二者的混合疊加。由此可見，放大器的本地噪聲制約著測試系統(tǒng)的精度，因此若要實現(xiàn)高精度的噪聲測試或者提高系統(tǒng)分辨率，我們必須選擇本底噪聲非常低的低噪聲放大器。