高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--低频噪声测试技术理论(三)

2.2低频噪声特性及测试技术要求

2.2.1低频噪声特性

低频噪声信号有着一些与信号测试领域中的其他传统信号不一样的特性。其中最主要的特性就是其信号的幅度极其微弱。低频噪声信号其本质是一种叠加在其他直流物理量之上的微弱噪声，因而其物理量非常小。常见的电压噪声的功率谱密度仅在10 ^-8 V ² /Hz到10 ^-18 V ² /Hz之间。金属膜电阻以及其他一些体内电流密度非常均匀的电子元器件的低频噪声量级会更小。

低频噪声信号幅值的微弱导致了它具备另一个特性：信号对空间电场和交流电的干扰非常敏感。当我们在观察低频信号的功率谱密度时，通常会看到如下的图像：

图2.6中Y轴为电流的功率谱密度，单位为A ² /Hz.从图2.6中可以看出在50Hz、150Hz以及更高的谐波频率上可以看到明显的尖峰，这是由于在测试时引入了50Hz的交流信号干扰。干扰的原因可能是由于测试时系统中的其他设备采用了交流信号源。比如在利用高温箱测试样品在高温下的噪声特性时，高温箱的电源采用了交流电，从而引入了干扰。

图2.7的情况是由空间电场的影响导致的。测试中，如果将器件或测试电路暴露在无信号屏蔽的环境中，周围环境中的其他无线电信号的强度一般会大于微弱的噪声信号，窜入测试系统成为干扰。

2.2.2测试技术要求

低频噪声具有的各种特性对低频噪声测试技术提出了一些特殊要求，来确保测试过程的顺利和测试结果的准确。

（1）针对不同的样品要选择不同的测试物理量

在测试电子器件的低频噪声时，人们通常会选择测试器件的电压噪声或是电流噪声这两种物理量之一。

电压噪声参量是目前测试大多数器件时所选择的测试参量。然而在测试钽电容这种等效绝缘阻抗达到100MΩ以上的阻抗极高的特殊器件时，我们必须选择使用电流放大器测试其电流噪声。具体原因从下面的噪声测试电路分析中可以看

在测试电子器件的低频噪声时，人们通常会选择测试器件的电压噪声或是电流噪声这两种物理量之一。

电压噪声参量是目前测试大多数器件时所选择的测试参量。然而在测试钽电容这种等效绝缘阻抗达到100MΩ以上的阻抗极高的特殊器件时，我们必须选择使用电流放大器测试其电流噪声。具体原因从下面的噪声测试电路分析中可以看到：

图2.8中R _I是隔离电阻，S _I和S _V分别代表电流放大器和电压放大器。为了便于分析，我们认为R I是只含有热噪声而无1/f噪声的理想电阻。在实际情况中我们也总是将R I的噪声忽略，因为隔离电阻通常选用1/f噪声可忽略的绕线电阻或金属膜电阻。R x是待测样品的等效阻抗，V x是被测样品上的压降，V是由电池构成的直流源，用于激发样品中的低频噪声。在实际情况中电池的噪声很低，所以我们总是将V的噪声忽略。为了便于说明，我们将电流放大器S I和电压放大器S V接入同一个电路。电流放大器在噪声测试中是串联接入测试回路的，而电压放大器要与被测样品并联。在电路中通常不考虑电流放大器上的压降，将电流放大器两输入端近似看作短路，因为实际情况中电流放大器两输入端之间是虚短路的状态，其等效电阻近似为零。同样我们也不考虑电压放大器上的电流分流，将其两输入端近似看作绝缘，因为实际电压放大器的输入阻抗极大。由图2.8我们得到如下公式：

我们将样品R x的噪声源等效为一个可变电阻，其变化为ΔR x，由ΔR x产生的电流噪声为ΔI，电压噪声ΔV x。这样对（2-12）式两边微分，可得如下两个等式：

当忽略热噪声和放大器的背景噪声时，由（2-13）和（2-14）经变换在频域可以得到：

从对上式的分析我们可以得到两种情况：

①当隔离电阻的阻值远小于被测电阻，即满足R_I/R_X→0时，电压噪声Sv趋近于零。

②当隔离电阻的阻值远大于被测电阻，即满足R_X/R_I→0时，电流噪声S I趋近于零，而电压噪声流噪声达到最大值。

在实际情况中，作为隔离电阻的绕线电阻或金属膜电阻阻值有限，远小于高阻器件的阻值，符合上述第一种情况。因此在测试高阻器件的噪声时，电流噪声测试方法具有独特的优势。

（2）测试电路、待测样品必须放置在能够屏蔽干扰的金属盒中

放置样品和测试电路的仪器外壳须由即导磁又导电的封闭金属盒制作。这样做可以增强噪声信号对空间电场的抵抗力，防止测试时发生噪声信号漂移严重和无法稳定的问题。通常为了增加适配器的抗干扰能力，选择变压器外壳的合金钢这种高导电导磁材料会达到比铜或铝盒制成的屏蔽盒更好的屏蔽效果。

（3）激发噪声的直流信号源必须采用电池

激发噪声信号的直流电源不能使用一