固定电阻器电流噪声系数测量标准研究

固定电阻器电流噪声系数测试标准研究陈文豪 杜磊 包军林 刘林 陈华 李伟华 何亮 孙鹏1)2)1)2)1)（西安电子科技大学技术物理学院，西安 710071）（西安电子科技大学微电子学院，西安 710071）2)关键词：电流噪声系数，固定电 阻器， 测试标准，可靠性表征摘 要：固定电 阻器电流噪声系数是 电阻器质量管理与可靠性技术的表征参数。本文在固定电阻器噪声特性研究基础上，研究相关 标准中的测试原理、方法和条件。对 20 世纪 70 年代国际电工委员会制定的国际标准 IEC 60195、我国军用标准 GJB 360A-96 以及相关行业标准存在的问题进行说明，并提出了 测试标准的修改建议。E-mail:1. 引言电阻器件是电子系统中使用最多的元器件之一，其精度、温漂、电流噪声系数等是影响整机性能的重要参数 1。其中电流噪声系数在电阻器通常的指标要求中较少用到，但该参数直接反应电阻器在应用电路中产生的噪声大小，同时也是电阻器质量和可靠性的表征参数 2-6。因而该参数在具有噪声指标要求以及航空、航天和军用等高可靠性要求下，需要对其进行准确、可靠的测量 7, 8。现在各个国家对固定电阻器电流噪声指数测量标准都是基于国际电工委员会标准 IEC 60195:1965 修改和制定的 9, 10。我国国家军用标准 GJB360A-96 中对电流噪声指数测量的标准制定也是基于上述标准编写形成的。而基于上述标准，国内未有专用的测试设备，这限制了我们的实际应用。同时通过我们对标准原理和测试技术的研究，发现该标准存在如下问题：对于大电阻测试时所规定的测试电压过高，放大器输入直流分量过大，影响偏源放大电路设计和实现；其次对测试结果没有考虑隔离电阻的影响，未对测试结果进行换算，导致测试结果偏小；该标准推荐的测试系统采用带通滤波器的非理想特性增加了测试误差。2. 噪声系数“过剩噪声”或“非平衡噪声” ，电阻器电流噪声指数是表征电阻质量的一个重要参数。在具有噪声指标、高性能和高可靠性要求的航空航天、武器装备以及其它特殊应用场合下，需要对电阻电流噪声进行全面测试 8。电阻器存在两种噪声，即“平衡噪声”和“非平衡噪声” 。所谓“平衡噪声”是电阻器不施加任何偏置，没有电流流过状态下产生的噪声。这种噪声是电阻器的热噪声，也称为约翰逊-奈奎斯特噪声。热噪声是电阻器的基本噪声源，其只与温度和电阻的阻值有关。电阻器因施加偏置电流而产生的噪声通常称为“非平衡噪声”也称“过剩噪声” ，它是由于电阻器内部非均匀性导致的电流变化而引起的电压涨落。电流噪声指数有时也简称为“噪声指数” ，反映了电阻器因施加电流而产生的噪声大小。其定义为十倍频程内的噪声电压有效值 uV 与施加在电阻两端电压 V 的比值，通常以分贝表示。电阻器的非平衡噪声主要是低频噪声，其来源于电阻中电导微粒的不连续性，具有 1/f 噪声谱形式，其噪声谱密度可表示为 11, 12：（1）2DVKIRSf式中： 为电压噪声谱密度， 为流过电阻的直流电流， 为测试电阻阻值， 为频率，VSI f为与器件相关的噪声系数。由上式可以得到， 值是反映器件噪声特性的参数。K为了表征 值，即定义电流噪声系数 ，为电阻两端每一伏特直流电压在十倍频程NI内产生的均方根噪声电压（ ）的对数值，用 dB 表示为：V（dB） （2）20lgVDCEI式中 为十倍频程内噪声电压， 为电阻两端施加电压， 。由 的定VE DCVIRVE义可以得到式（3）：（3）11102202lnfVVfDfCDESdKIRdV最后可得：（4）10lg()NIK式（4）表明， 反映了低频噪声 值，所以电流噪声指数可作为电阻过剩噪声的表I征参量。在实际测试系统中，只要测量得到低频具有 1/f 噪声特性频段任意十倍频程内的噪声电压有效值（单位为 ） ，和测试施加的直流电压（单位为 ） ，即可计算所的电阻VV器噪声系数。3. 现有标准存在的问题及改进方法各国制定的固定电阻器电流噪声测试标准都是基于 IEC 195 标准修改得到，其测试原理如图 1。国军标 GJB 360A-96 标准与 IEC 相关标准在测试原理上完全一致，主要区别在于测试阻值范围、测试电压条件和隔离电阻。国军标 GJB 360A-96 方法中规定的测试阻值范围更广泛，包括 1.0-82 阻值的固定电阻器。同时对 1.0-2.2k 范围的测试电阻没有规定其隔离电阻的阻值（意为隔离电阻取零） 。本文主要针对 IEC 195 说明其存在的问题和改进方法。直 流 电 源校 准 信 号 源1 0 0 0 H z隔 离 电 阻R m测 试 电 阻R T校 准 电 阻1 直 流 高 阻 抗 电 压 表交 流 带 通放 大 器平 方 律 检波 器图 1. IEC 195 固定电阻器电流噪声测试标准原理框图3.1. 测试电路原理及改进如图 1 所示的标准测试电路采用简单直流偏置原理，放大器输入直流电压为电源电压在被测器件上的分压。标准规定中被测器件与隔离电阻阻值比通常大于 1：10，最大达到22：1。按标准规定在测试大于 1k 电阻时，被测器件上电压已达到 10V，进行大电阻测试时被测器件上电压甚至高达 250V。该直流电压输入放大器，使其耦合电容承受较高的耐压，同时在加电时的浪涌电流可能加速放大器的退化甚至损坏放大器。这是低噪声放大器在应用中所必须避免的，因此该噪声测试原理不可采用常用的阻容耦合低噪声电压放大器。标准中推荐使用的测试仪器为了解决该问题，放大器输入端采用了变压器耦合，以使得放大器输入端静态工作点与被测器件直流电压独立，因此可以避免上述情况的发生。但是变压器耦合频率响应特性差，具有非平坦的幅频特性，因此放大系统表现对不同频率的增益不一致，这将强烈影响测试准确度 13。针对 IEC 标准规定的简单直流偏置测试原理所存在的问题，本文在原标准的基础上提出基于桥结构的改进噪声测试原理，如图 2。采用正负电源，并且使正负电源输出电压之比与隔离电阻和被测电阻阻值之比相等：（5）mTRVCS上述等式严格成立时放大器输入端直流分量为 0V，即与参考地电压相同。考虑实际测试中电阻精度和电压源输出误差，该电阻桥式结构可以保证输入放大器偏置电压在1V 以内。而一般的低噪声阻容耦合放大器允许的直流电压输入范围可到10V，因此即使上述等式不严格满足，也可使用该类放大器对噪声信号进行有效的放大。正 电 压 源V C C负 电 压 源V S S隔 离 电 阻R m测 试 电 阻R T直 流 高 阻 抗 电 压 表低 噪 声 放大 器数 据 采 集与 分 析图 2.改进测试原理图该改进测试电路与原标准测试电路的交流等效电路完全一致，保证了测试原理的正确性。改进后原理有效利用了桥式结构的特点，即使施加较大的测试电压时，也能保证放大器输入端的直流分量足够小，因此对后级放大电路的选择更为灵活。放大器输出的信号不再采用带通滤波和有效值测量的模拟电路处理方法，因为实际的测试中发现采用该方法时噪声结果的读数通常变化较大，测试的一致性不好。这主要是由于噪声本身为随机性信号，模拟的测试读数为一次测试的结果，因此读数变化的随机性不可避免。噪声测试应采用多次测试平均的统计结果，已有的研究表明对于噪声测试平均次数越多结果更加准确。改进测试原理采用数字化后端处理技术，对放大器输出信号进行采集和傅里叶变化，得到噪声功率谱密度。最终功率谱密度测试为多次测试平均的结果，实际测试表明在平均次数为 256 次时，功率谱密度测试的一致性达到 97%。功率谱密度的测试结果在噪声系数的计算中具有更灵活的应用，通常我们测试得到的功率谱密度如下图3：图 3.电阻器典型噪声功率谱密度图根据噪声频谱密度测试结果，通过参数拟合能够直接确定 1/f 噪声的转折频率，即确定分析频率上限。在该频率任意范围内任意十倍频程内积分即可得到噪声系数计算中需要的噪声电压。积分运算的效果等同于信号经过具有十倍频程的理想滤波器，消除了原测试原理中带通滤波器非理想特性带来的测试误差 14。3.2. 测试结果处理分析图 4 为标准测试原理与改进测试原理交流等效电路，其中 和 分别为隔离电阻和1TS2被测电阻热噪声， 为被测器件电流噪声。隔离电阻采用金属线绕电阻器，其电流噪声很IS小，因此忽略其产生的电流噪声， 为放大器背景噪声。aSR TR mS IS mS T 1S T 2S a图 4.噪声测试交流等效电路电阻器电流噪声测试过程是：首先测试系统噪声，即不加电条件下的系统总噪声 ，mS此时等效电路中只有热噪声和放大器背景噪声；其次测试系统加偏总噪声 ，即包含有电阻器电流噪声。对测试标准推荐的测试仪器分析发现其将放大器两次测试的噪声差值错误的等效于电阻器产生的电流噪声 ，引起测试结果错误。IS系统噪声测试时两个电阻并联时，其各自产生的热噪声不会产生变化，同时放大器背景噪声也不变，即它们之间是不相关的。由随机信号原理可得总噪声及通过功率相加原则进行计算。首先隔离电阻 和被测电阻 热噪声在测试端口处产生的噪声电压功率密度mRt分别为：（6） 21()TRmttS（7） 2()TRt mt因此系统噪声为：（8）221()()mRtaTTt mat tSSRS由热噪声 ， 可得：14Tmk24Ttk（9） mtmaSTSR同理，加偏测试是总噪声表达式为：(10)24()mt mmaItSkTSS(10)-(9)得：(11)2()mmItRSS由式(11)可得，两次功率谱测试结果的差值并不等于电阻器产生的电流噪声，实际电阻器产生的电流噪声：（12） 22()()mtISR由上式可得，只有当 时才能有 ，而标准所规定的隔离电阻通常mtRImS小于测试电阻，因而按照标准测试的电流噪声系数值偏小。因此在改进的测试系统中必须采用上述计算，将测试结果换算为实际电阻产生的电流噪声，从而保证测试结果的正确性。4. 结论本文讨论了电阻器电流噪声测试标准存在的问题，并提出了测试电路的改进方案，并从原理和实际应用中分析了改进电路的优点。同时对测试标准推荐使用的仪器进行了分析，发现了测试记过处理中存在的错误，并从理论上分析了实际噪声等效电路，从而提出了由测试结果正确计算电阻器电流噪声的方法。改进测试系统数据处理方法，提出通过功率谱密度计算十倍频程噪声电压的原理，消除了采用实际滤波器时非理想特性引起的结果误差。本文论述的方法可以作为固定电阻器电流噪声系数测试标准修改的依据。参考文献：1 T. 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