固定电阻器电流噪声系数测量标准研究.docVIP

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 （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） 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:cwh1983@163.com 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。 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） 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，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。 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内产生的均方根噪声电压（）的对数值，用dB表示为： （dB） （2） 式中为十倍频程内噪声电压，为电阻两端施加电压，。由的定义可以得到式（3）： （3） 最后可得： （4） 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），即可计算所的电阻器噪声系数。 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1.0Ω-82Ω阻值的固定电阻器。同时对1.0Ω-2.2kΩ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。 图1. IEC 195固定电阻器电流噪声测试标准原理框图 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