低频电阻电流噪声测试技术的发展和应用

2018-09-04雷军陈毓彬

电子产品可靠性与环境试验 2018年4期

雷军，陈毓彬

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

0 引言

噪声是一种存在于自然界中的广泛现象，人们对噪声的认识始于最直观的听觉和视觉感官中。电子系统噪声在听觉和视觉系统中的反映分别为 “噪音”和 “噪点”。电子器件内在的噪声是电子系统噪声即 “噪音”和 “噪点”的主要来源。

电阻器是电子系统中使用得较多的元器件之一，其精度、电阻温度系数和电流噪声系数等是影响整机性能的重要参数。电阻器产生的噪声信号所引起的干扰可能会使其所在电路的输出信号失真，造成信息的损失。对于使用低噪声元件的低电平音频电路而言，电阻器是主要的干扰噪声来源，过多的噪声干扰会导致电路的功能遭到破坏或使功能效果降低。因此，在航空、航天等有高可靠性要求的领域，都需要对电阻器的噪声进行准确的测量与评价。

1 电阻电流噪声的表征

电阻噪声包括热噪声和电阻电流噪声，热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，故又被称为 “平衡噪声”。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。用噪声功率谱密度表征为：

式(1)中：ST——热噪声；

k——波尔兹曼常数；

T——绝对温度；

R——测试电阻阻值。

电阻电流噪声是电阻器因施加偏置电流而产生的噪声，因此也称为 “非平衡噪声”或 “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。在低频带，电阻电流噪声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：

式(2)中：SV——低频电阻电流噪声；

IT——流过电阻的直流电流；

R——测试电阻阻值；

f——频率；

K——与电阻相关的噪声系数。

由上式可以得到，K值是反映电阻噪声特性的参数。

按照GJB 360B-2009、GB/T 7016-1986和SJ 20634-1997，一般用电阻电流噪声指数来评价电阻器的噪声质量，其定义为电阻两端每一伏特直流电压在10倍频程内产生的均方根噪声电压 (μV)的对数值，用dB表示为：

式(3)中：Ei——10倍频程内噪声电压；

UT——电阻两端施加电压，UT=ITR。

由Ei的定义可得：

最后可得：

式 (5)表明，I反映了低频噪声K值，并且可以看到电流噪声系数NI与测试条件无关，仅与器件材料噪声特性常数K相关。因此，电流噪声指数可作为电阻过剩噪声的表征参量。

2 电阻噪声测试技术的发展和应用

在噪声检测技术方面，早期的电阻噪声测试一般采用模拟测试方法，即利用被测电阻、低噪声放大器、滤波器、检波器和功率计等仪器设备搭建形成的测试系统[1-4]来实现电阻噪声的测试，如图1所示。

图1 早期噪声测试方法

在噪声检测技术应用方面，G.Conrad等人于1955年提出了电阻噪声测试设备的概念[3]，并对不同的电阻噪声进行了测试对比[1]；1956-1960年提出了建立电阻电流噪声表征参数，并建议设立测试标准[2]；1962年对噪声参量在膜电阻失效表征中的应用进行了研究[5]，同年对噪声测试系统进行了改进和误差分析；最后于1965年建立了IEC 60195等相关标准，该标准采用模拟测试的方法，直到2015年此标准都没有更新，而国内关于电阻电流噪声的测试标准，如GJB 360B-2009、GB/T 7016-1986和SJ 20634-1997都是参照IEC 60195修订的；之后美国Quan-Tech公司严格地按照IEC 60195标准生产了Model 315系列的电流噪声测量仪，该仪器成为当时国内测量电阻电流噪声指数的唯一专用设备。

由于噪声本身为随机性信号，早期模拟的测试方法测试读数又为一次测试的结果，所以导致噪声测试结果的随机性比较大。随着噪声研究的深入发展，噪声检测技术也得到了快速的提升。噪声测试经历了模拟测试技术逐渐地进入数字测试技术阶段，实现了对噪声实时、快速、准确地采集和数字化处理，并且研究和发展了低噪声高增益放大技术、数据采集技术和噪声数据处理技术。后来的噪声测试多将低噪声放大器与滤波器整合形成具有滤波功能的低噪声放大器，同时将检波器、功率计和积分器等仪器换成频谱分析仪[6]，针对测试数据发展了频谱分析与拟合，从而可以同时实现噪声的时域和频域测试，这逐渐地成为了主流的噪声测试方法。

在噪声检测技术应用方面，2011年日本Noiseken公司推出专门用来测量电阻噪声的RCN-2011的电阻电流噪声测量仪 (如图2所示)，此仪器参照IEC 60195标准，通过数据采集技术对测试数据进行多次测量取平均值的方法得到结果，提高了测试精度。但是，由于市场和标准未更新等原因，此台仪器刚刚推出应用没多久就停产了。

图2 RCN电阻电流噪声测量仪

另外，电子测量领域的巨头安捷伦公司采用数据采集技术、频谱分析技术实现了对器件电流噪声的测量和分析，并开发了专门针对1/f噪声E4727A测试系统，如图3所示，该测试系统主要适用于器件测试，并且号称可以进行电阻噪声测试。

图3 安捷伦1/f噪声测试系统

通过研究E4727A测试系统的硬件图和电阻噪声测试原理图，如图4-5所示，结合测试软件给出了电阻的噪声谱密度的计算方法：

图4 电阻噪声原理图

图5 E4727A测试系统硬件图

由图5的电阻噪声原理图和式 (6)的电阻噪声计算公式可以看出，E4727A低频噪声测试系统测得的功率谱密度值为：电阻在一定偏压下的热噪声和电流噪声之和。最终仅能得到电阻的总噪声，包括热噪声和电流噪声。故此仪器并不能用来测量电阻电流噪声。

国内，西安电子科技大学杜磊、陈文豪等人于2010年为西安宏星浆料有限公司设计了一套针对固定电阻器和电阻浆料的专用测试设备——XD-3031电阻噪声系数测试系统。该测试系统的测试原理基本与IEC 60195一致，其采用了主流测试技术，通过仪器校准、数据采集和频谱分析的方法得到最终测试结果，且在将其与Quan-Tech Model 315C电流噪声测量仪进行对比验证测试，得到了不错的结果。

2016年4 月，国际电工委员会对IEC 60195进行了更新，推出了第二版。标准引用了当下主流的测试技术，采用数字采集和频谱分析的方法对电阻电流噪声进行测试，并规定了可以采用相同原理的方法测量电阻电流噪声。