4.1電壓噪聲測(cè)試技術(shù)的驗(yàn)證

4.1.1測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證方案及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，我們采用圖3.9中的測(cè)試方法對(duì)1M的厚膜電阻進(jìn)行了電壓噪聲測(cè)試，其中Rx為待測(cè)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(biāo)稱容值，實(shí)際的阻值會(huì)與標(biāo)稱值有一定差異，因此在實(shí)際測(cè)試時(shí)，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(hào)中無(wú)直流偏置。放大器采用自行設(shè)計(jì)的AD743放大電路。驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)分別采用一個(gè)定性驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和一個(gè)定量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)。

如果測(cè)試結(jié)果是正確的，我們會(huì)在信號(hào)功率譜密度的低頻段看到明顯的1/f噪聲信號(hào)曲線，或者是1/f噪聲信號(hào)與爆裂噪聲的疊加曲線，這種曲線會(huì)隨著頻率的增大而不斷降低，并且在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，其斜率近似為-1.同時(shí)我們還會(huì)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(duì)于定量驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)該與器件兩端所施加偏置電壓的平方成正比。

4.1.2測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果

我們分別在16V和32V的直流偏執(zhí)下測(cè)試了樣品的電壓噪聲，測(cè)試結(jié)果如圖4.1所示。圖中在50Hz的整數(shù)倍的頻點(diǎn)處的尖峰為計(jì)算機(jī)電源信號(hào)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(shì)均符合1/f噪聲的特點(diǎn)，這說(shuō)明本測(cè)試技術(shù)所測(cè)得的結(jié)果即為器件的1/f噪聲。

圖4.1只是通過(guò)定性分析來(lái)驗(yàn)證該測(cè)試方法，接下來(lái)，我們結(jié)合具體數(shù)據(jù)和低頻噪聲有關(guān)理論來(lái)證明測(cè)試技術(shù)的可靠性?，F(xiàn)將曲線中的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)列于下表：

從上表中我們可以看出，當(dāng)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(lái)的4倍，這與胡格公式相吻合，因此說(shuō)明本研究中設(shè)計(jì)的新的測(cè)試技術(shù)是可靠的。

4.2電流噪聲測(cè)試技術(shù)的驗(yàn)證

4.2.1測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證方案及驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)

該驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，我們測(cè)試了標(biāo)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(cè)試條件為室溫300K，對(duì)器件兩端所加測(cè)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲曲線的直觀定性驗(yàn)證。對(duì)器件及介質(zhì)材料噪聲信號(hào)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(yīng)該為一幅值為常量A并與X軸（頻率坐標(biāo)軸）平行的直線，該直線即為樣品的白噪聲，是一定會(huì)有的噪聲成分。但由于電流放大器對(duì)信號(hào)的衰減，我們無(wú)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?cè)谡箤掝l帶還原信號(hào)后的功率譜密度圖中應(yīng)該可以看到該直線。

另一方面，我們還對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量驗(yàn)證。如果該方法正確，則該測(cè)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(shí)，能保證其低頻段數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)方法所測(cè)得的數(shù)據(jù)基本一致。

4.2.2測(cè)試技術(shù)驗(yàn)證結(jié)果

圖4.2是采用傳統(tǒng)方法在上述實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的電流噪聲功率譜密度圖，由于放大器通頻帶過(guò)于狹窄，100Hz以上頻帶部分的熱噪聲信號(hào)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(hào)。可以看到還原后的信號(hào)在500Hz-5KHz的高頻部分出現(xiàn)了應(yīng)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(cè)試方法和本方案方法的對(duì)比圖?？梢钥吹竭€原后的信號(hào)在1Hz-100Hz的頻率范圍內(nèi)與傳統(tǒng)方法沒(méi)有失真的低頻段數(shù)據(jù)吻合度非常高。這說(shuō)明本方案中的信號(hào)還原展寬頻帶的方法在將高頻部分信號(hào)還原的同時(shí)，能確保對(duì)信號(hào)未失真的低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)無(wú)明顯影響。在該驗(yàn)證試驗(yàn)中，本方案中的測(cè)試方法將信號(hào)的頻帶展寬了50倍。

4.3電壓噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于高阻厚膜電阻的篩選

4.3.1噪聲對(duì)高阻厚膜電阻的影響

大阻值厚膜電阻主要應(yīng)用在微電流檢測(cè)電路和微弱信號(hào)放大系統(tǒng)以及各類傳感器上（雷達(dá)、放射性測(cè)量?jī)x、夜視系統(tǒng)、紅外測(cè)量、電子顯微技術(shù)、質(zhì)普儀）。

其工作原理如下：來(lái)自于上述傳感器的輸出電流通常很小，甚至?xí)〉絧A或fA級(jí)，為了采集到如此微弱的信號(hào)，我們通常會(huì)讓微弱的電流流過(guò)一個(gè)阻值非常大的電阻，這樣我們就將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為大到系統(tǒng)可以分辨的電壓信號(hào)，使信號(hào)的采集工作能正常完成。

然而這類系統(tǒng)的分辨率會(huì)受到電阻低頻噪聲的影響。由于電阻自身會(huì)由熱噪聲產(chǎn)生一個(gè)噪聲電壓；并且作為電子器件，電阻本身也會(huì)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(gè)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(huì)有所不同。同樣的，部分樣品在生產(chǎn)過(guò)程中混入了深能級(jí)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(guān)鍵部件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的分辨率提高有顯著的作用。

4.3.2噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案

傳統(tǒng)電壓噪聲測(cè)試技術(shù)可以用于測(cè)試阻值較低的厚膜電阻的電壓噪聲。但當(dāng)被測(cè)貼片電阻的阻值不斷升高時(shí)，對(duì)于放大器來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于信號(hào)源阻抗在不斷增大，因此傳統(tǒng)方法的測(cè)試效果會(huì)不斷下降。對(duì)于電壓噪聲測(cè)試來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于噪聲信號(hào)不斷逼近系統(tǒng)的本底噪聲，最終當(dāng)阻值升高達(dá)到一定阻值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致樣品的噪聲信號(hào)湮滅在系統(tǒng)背底噪聲之中，無(wú)法被識(shí)別。

所以，為了能對(duì)高阻厚膜電阻進(jìn)行低頻噪聲測(cè)試技術(shù)，我們必須采用其他技術(shù)，這里我們采用圖3.9中設(shè)計(jì)的電壓噪聲測(cè)試技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。并通過(guò)對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析來(lái)驗(yàn)證本測(cè)試技術(shù)。