高精度直流微電阻測(cè)試儀的研究與開(kāi)發(fā)

本章主要對(duì)高精度微電阻測(cè)試儀的相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行研究。

電阻按其大小可以分為高電阻（100k以上）、中電阻（1到l00k.）和微電阻（1.以下），本課題主要研究微歐姆數(shù)量級(jí)別電阻的阻值測(cè)量。

電阻測(cè)量通常采用加電流測(cè)電壓的方法，微電阻測(cè)量的方法也不例外。考慮到微電子阻值非常微小，所以，除了要精確控制測(cè)試電流并準(zhǔn)確測(cè)量出待測(cè)電阻上的微弱電壓外，同時(shí)還要考慮消除導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量值的影響，并且將系統(tǒng)誤差降低到最小程度，以達(dá)到高精度測(cè)量微電阻阻值的目的。

2.1 電阻測(cè)量基本原理

電阻測(cè)量的墓本原理非常簡(jiǎn)單，即采用伏安法（如圖2.1所示），以給定電流I通過(guò)電阻R，測(cè)量R兩段的電壓值U，根據(jù)歐姆定律R=u/I即可得到電阻值。

但是由于檢測(cè)電路中存在諸如導(dǎo)線電阻、接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)和電化學(xué)電勢(shì)等的影響，當(dāng)電阻值比較大時(shí)，這些影響可以被忽略不計(jì)。而如果電阻值極其微小，這些影響帶來(lái)的誤差絕對(duì)值甚至可能超過(guò)待測(cè)電阻本身數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，就必須要研究這些誤差從何而來(lái)、如何降低乃至消除，才可能以較高精度的測(cè)量出該微電阻的電阻值。

2.2直流微電阻測(cè)量的誤差分析

用伏安法測(cè)量電阻時(shí)，用的是直流電流源；而微小電阻值則對(duì)應(yīng)著微弱的信號(hào)。所以，有必要首先研究普遍意義上的微弱直流信號(hào)檢測(cè)中的噪聲，然后再具體到直流微電阻測(cè)量中的誤差來(lái)源。

2.2.1微弱直流信號(hào)檢測(cè)的噪聲理論

一般可以從兩個(gè)角度來(lái)定義干擾噪聲，一是從回路角度定義，由于電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的電壓或電流的隨機(jī)波動(dòng)所表現(xiàn)出來(lái)的噪聲；二是從信號(hào)分析的角度出發(fā)，污染或干擾有用信號(hào)的不期望的信號(hào)都被稱為噪聲

干擾噪聲的類型有很多種，對(duì)不同的類型的干擾噪聲信號(hào)應(yīng)采取不同的檢測(cè)方法。在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)前，應(yīng)深入分析信號(hào)的本質(zhì)，明確檢測(cè)的對(duì)象，才能確定檢測(cè)原理、方法和儀器等。

2.2.1.1檢測(cè)電路內(nèi)部的固有噪聲源

檢測(cè)電路元件內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲稱為固有噪聲，它是由電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起的。

1.導(dǎo)體本身的熱噪聲導(dǎo)體的熱噪聲

是指任何導(dǎo)體即使沒(méi)有連接到電源，也沒(méi)有任何電流經(jīng)過(guò)該導(dǎo)體，也會(huì)在其兩端也會(huì)呈現(xiàn)噪聲電壓起伏的情形。熱噪聲是由電阻內(nèi)部的電子隨機(jī)不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，其幅度大小取決于溫度，溫度越高，導(dǎo)體內(nèi)自由電子熱運(yùn)動(dòng)越激烈，噪聲電壓就越高；一旦其溫度降低，熱噪聲就會(huì)減小。其幅度大小也與導(dǎo)體的電阻值有關(guān)，對(duì)于大電阻來(lái)說(shuō)導(dǎo)體的熱噪聲的影響相應(yīng)的小一些，而對(duì)于微電阻來(lái)說(shuō)，其影響就很大了。對(duì)于檢測(cè)林v級(jí)甚至nV級(jí)微弱信號(hào)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，熱噪聲對(duì)電」阻的測(cè)量精度的不利影響是不容忽視的。

2.導(dǎo)體間的接觸噪：聲接觸噪聲又叫1/f噪聲，由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的，凡是有導(dǎo)體接觸不理想的器件都存在接觸噪聲；1/f噪聲電流的幅度分布為高斯型，其功率譜密度函數(shù)今Sf（f）正比于工作頻率f的倒數(shù)，今（f）可表示為：

由于Sf（f）正比于1了，頻率越低，這種噪聲的功率譜密度越大，在低頻段1/f噪聲的幅度可能很大；電阻內(nèi)部由于阻值的波動(dòng)而產(chǎn)生的一種過(guò)量噪聲也是一種1/f噪聲；下面給出了幾種電阻的過(guò)量噪聲電壓有效值（以電阻兩端每1v電壓，10倍頻范圍內(nèi)測(cè)得）：

純碳阻：0.1一3.0uv

碳膜電阻：0.05一0.3uv

金屬膜電阻：0.02一0.2uv

所以，為了能夠有效地測(cè)量微弱信號(hào)，應(yīng)盡可能地減小測(cè)量帶寬 。