高阻器件低頻噪聲測試技術與應用研究--高阻器件噪聲測試技術的驗證和應用

4.1電壓噪聲測試技術的驗證

4.1.1測試技術驗證方案及驗證標準

為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，我們采用圖3.9中的測試方法對1M的厚膜電阻進行了電壓噪聲測試，其中Rx為待測阻值為1M的厚膜電阻，Rt為400K繞線電阻，R1為25K可變繞線電阻，R2為10K繞線電阻。

這里要注意，以上電阻的阻值都是標稱容值，實際的阻值會與標稱值有一定差異，因此在實際測試時，需要調(diào)整R1，直至兩邊電橋平衡。電橋平衡的表現(xiàn)是放大器輸入信號中無直流偏置。放大器采用自行設計的AD743放大電路。驗證標準分別采用一個定性驗證標準和一個定量驗證標準。

如果測試結(jié)果是正確的，我們會在信號功率譜密度的低頻段看到明顯的1/f噪聲信號曲線，或者是1/f噪聲信號與爆裂噪聲的疊加曲線，這種曲線會隨著頻率的增大而不斷降低，并且在對數(shù)坐標中，其斜率近似為-1.同時我們還會在曲線上頻率稍高的部分看到一條直線，該直線為熱噪聲。對于定量驗證標準，我們采用著名的胡格公式（2-9）。根據(jù)公式（2-9）我們很容易的推得，器件的電壓功率譜噪聲應該與器件兩端所施加偏置電壓的平方成正比。

4.1.2測試技術驗證結(jié)果

我們分別在16V和32V的直流偏執(zhí)下測試了樣品的電壓噪聲，測試結(jié)果如圖4.1所示。圖中在50Hz的整數(shù)倍的頻點處的尖峰為計算機電源信號傳入的諧波干擾，從圖中我們可以明顯看出兩條曲線的在低頻端的趨勢均符合1/f噪聲的特點，這說明本測試技術所測得的結(jié)果即為器件的1/f噪聲。

圖4.1只是通過定性分析來驗證該測試方法，接下來，我們結(jié)合具體數(shù)據(jù)和低頻噪聲有關理論來證明測試技術的可靠性。現(xiàn)將曲線中的頻點數(shù)據(jù)列于下表：

從上表中我們可以看出，當樣品兩端的偏壓增加了一倍，其噪聲功率譜密度的數(shù)值都變?yōu)榇蠹s原來的4倍，這與胡格公式相吻合，因此說明本研究中設計的新的測試技術是可靠的。

4.2電流噪聲測試技術的驗證

4.2.1測試技術驗證方案及驗證標準

該驗證實驗中，我們測試了標稱容值為157 uF的聚合物鉭電解電容的漏電流噪聲。其等效絕緣電阻大于500MΩ，額定電壓為6.3V，測試條件為室溫300K，對器件兩端所加測試電壓為5V，電流放大器采用SR570電流放大器，放大倍數(shù)為5×10 ⁷。

我們首先對測試數(shù)據(jù)進行噪聲曲線的直觀定性驗證。對器件及介質(zhì)材料噪聲信號的功率譜密度性質(zhì)的研究表明，器件或介質(zhì)材料功率譜密度譜圖在高頻部分應該為一幅值為常量A并與X軸（頻率坐標軸）平行的直線，該直線即為樣品的白噪聲，是一定會有的噪聲成分。但由于電流放大器對信號的衰減，我們無法觀察到這一與X軸平行直線。如果本方案中的方法正確，我們在展寬頻帶還原信號后的功率譜密度圖中應該可以看到該直線。

另一方面，我們還對測試數(shù)據(jù)進行了定量驗證。如果該方法正確，則該測試方法中的歸一化函數(shù)在還原電流噪聲功率譜密度的高頻部分時，能保證其低頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法所測得的數(shù)據(jù)基本一致。

4.2.2測試技術驗證結(jié)果

圖4.2是采用傳統(tǒng)方法在上述實驗條件下測得的電流噪聲功率譜密度圖，由于放大器通頻帶過于狹窄，100Hz以上頻帶部分的熱噪聲信號出現(xiàn)衰減失真。

圖4.3是利用本方案展寬頻帶還原后的信號?？梢钥吹竭€原后的信號在500Hz-5KHz的高頻部分出現(xiàn)了應該觀察到的白噪聲，這與低頻噪聲基本理論吻合。

圖4.4是采用已有測試方法和本方案方法的對比圖?？梢钥吹竭€原后的信號在1Hz-100Hz的頻率范圍內(nèi)與傳統(tǒng)方法沒有失真的低頻段數(shù)據(jù)吻合度非常高。這說明本方案中的信號還原展寬頻帶的方法在將高頻部分信號還原的同時，能確保對信號未失真的低頻部分數(shù)據(jù)無明顯影響。在該驗證試驗中，本方案中的測試方法將信號的頻帶展寬了50倍。

4.3電壓噪聲測試技術應用于高阻厚膜電阻的篩選

4.3.1噪聲對高阻厚膜電阻的影響

大阻值厚膜電阻主要應用在微電流檢測電路和微弱信號放大系統(tǒng)以及各類傳感器上（雷達、放射性測量儀、夜視系統(tǒng)、紅外測量、電子顯微技術、質(zhì)普儀）。

其工作原理如下：來自于上述傳感器的輸出電流通常很小，甚至會小到pA或fA級，為了采集到如此微弱的信號，我們通常會讓微弱的電流流過一個阻值非常大的電阻，這樣我們就將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為大到系統(tǒng)可以分辨的電壓信號，使信號的采集工作能正常完成。

然而這類系統(tǒng)的分辨率會受到電阻低頻噪聲的影響。由于電阻自身會由熱噪聲產(chǎn)生一個噪聲電壓；并且作為電子器件，電阻本身也會產(chǎn)生1/f噪聲，甚至爆裂噪聲，因此這些噪聲電壓分量的疊加后的電壓就是系統(tǒng)的最小分辨率。由于個體電阻的微觀材料內(nèi)部缺陷數(shù)量有所不同，因此不同電阻的1/f噪聲值幅值會有所不同。同樣的，部分樣品在生產(chǎn)過程中混入了深能級重金屬雜質(zhì)，因而具有爆裂噪聲，使該器件的噪聲幅值明顯增加。所以在眾多樣品中挑選出噪聲電壓最低的電阻作為傳感器系統(tǒng)的關鍵部件對整個系統(tǒng)的分辨率提高有顯著的作用。

4.3.2噪聲測試實驗方案

傳統(tǒng)電壓噪聲測試技術可以用于測試阻值較低的厚膜電阻的電壓噪聲。但當被測貼片電阻的阻值不斷升高時，對于放大器來說，相當于信號源阻抗在不斷增大，因此傳統(tǒng)方法的測試效果會不斷下降。對于電壓噪聲測試來說，相當于噪聲信號不斷逼近系統(tǒng)的本底噪聲，最終當阻值升高達到一定阻值時，會導致樣品的噪聲信號湮滅在系統(tǒng)背底噪聲之中，無法被識別。

所以，為了能對高阻厚膜電阻進行低頻噪聲測試技術，我們必須采用其他技術，這里我們采用圖3.9中設計的電壓噪聲測試技術來進行測試。并通過對結(jié)果數(shù)據(jù)的分析來驗證本測試技術。