高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--低頻噪聲測(cè)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(rèn)為R I是只含有熱噪聲而無(wú)1/f噪聲的理想電阻。在實(shí)際情況中我們也總是將R I的噪聲忽略，因?yàn)楦綦x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(cè)樣品的等效阻抗，V x是被測(cè)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(shí)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(gè)電路。電流放大器在噪聲測(cè)試中是串聯(lián)接入測(cè)試回路的，而電壓放大器要與被測(cè)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?yàn)閷?shí)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?yàn)閷?shí)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(gè)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(duì)（2-12）式兩邊微分，可得如下兩個(gè)等式：

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

從對(duì)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(yuǎn)小于被測(cè)電阻，即滿足R_I/R_X→0時(shí)，電壓噪聲Sv趨近于零。

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

在實(shí)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(yuǎn)小于高阻器件的阻值，符合上述第一種情況。因此在測(cè)試高阻器件的噪聲時(shí)，電流噪聲測(cè)試方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（2）測(cè)試電路、待測(cè)樣品必須放置在能夠屏蔽干擾的金屬盒中

放置樣品和測(cè)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(qiáng)噪聲信號(hào)對(duì)空間電場(chǎng)的抵抗力，防止測(cè)試時(shí)發(fā)生噪聲信號(hào)漂移嚴(yán)重和無(wú)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(huì)達(dá)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(hào)源必須采用電池

激發(fā)噪聲信號(hào)的直流電源不能使用一般的交流轉(zhuǎn)直流裝置。因?yàn)榫仍俑叩闹绷髟匆矔?huì)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(huì)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(huì)混入被測(cè)器件的低頻噪聲信號(hào)，影響測(cè)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(duì)較小，所以噪聲測(cè)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(shí)候，輸出應(yīng)該為零。但實(shí)際中的任何放大器都無(wú)法做到這一點(diǎn)，即在輸入短路的情況下會(huì)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(cè)試的樣品的低頻噪聲是兩個(gè)不相關(guān)的隨機(jī)信號(hào)，因此最終測(cè)試得到的信號(hào)會(huì)是二者的混合疊加。由此可見，放大器的本地噪聲制約著測(cè)試系統(tǒng)的精度，因此若要實(shí)現(xiàn)高精度的噪聲測(cè)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。