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)

般的交流转直流装置。因为精度再高的直流源也会产生一些少量的50Hz或60Hz交流分量。为了避免这些交流干扰，最好的方法是使用直流电池。

（4）电路中的电阻要选择低噪声电阻。

电路中限流电阻或分压电阻必须选择绕线电阻或金属膜电阻，原因如下：很多电阻除了有热噪声外，同样还会产生一些1/f噪声甚至爆裂噪声，这些噪声来源于电阻中导电微粒的不连续性，会混入被测器件的低频噪声信号，影响测试。

图2.9是各种电阻的噪声系数，该系数越小，表明电阻噪声越小。从图中可以看出，绕线电阻和金属膜电阻噪声系数相对较小，所以噪声测量中应采用这两种电阻作为分压或限流电阻。

（5）放大器本底噪声要非常低。

理想放大器在输入为零的时候，输出应该为零。但实际中的任何放大器都无法做到这一点，即在输入短路的情况下会出现输出噪声，这种噪声就是放大器的本底噪声。放大器的本底噪声和所需测试的样品的低频噪声是两个不相关的随机信号，因此最终测试得到的信号会是二者的混合叠加。由此可见，放大器的本地噪声制约着测试系统的精度，因此若要实现高精度的噪声测试或者提高系统分辨率，我们必须选择本底噪声非常低的低噪声放大器。

2.3传统低频噪声测试方案

传统低频噪声测试方案是一套同时基于软件和硬件平台的测试系统，需要专业的测试软件和测试硬件协同来完成测试工作。硬件模块主要包括前端适配器、放大电路和数据采集设备。软件主要包括数据采集软件模块数据分析软件模块。

硬件平台起到激发信号、传输信号、和屏蔽干扰信号的功能，同时还要对信号进行模数转换，以便将模拟信号数据转变为方便后期计算机存储和处理的数据。

软件平台的作用有两个。首先，操作人员通过软件平台实现对测试系统各种仪器和设备的程控，保证系统各部分协同高效的工作；其次，对数据进行复杂的数学分析和处理需要软件平台强大的运算能力作为支撑。

如图2.10所示测试系统一共由如下四部分组成：

（1）前端适配器

前端适配器是安放被测样品的金属盒，主要作用是激发样品低频噪声并将低频噪声信号传输到后续处理设备上。对于低噪声测试系统来讲，一个性能优异的前端适配器外壳是由屏蔽性良好的金属做成的。

下图便是一个典型的适配器：

（2）放大电路

放大电路是由低噪声放大器和一些滤波网络为核心组成的放大电路，其作用是将前端适配器中激发出的噪声信号放大，使信号到达到可以被系统识别和方便后续处理的地步。放大电路常用的低噪声放大器分为两类，一类是放大器芯片，常见的有AD743、OP27、LT1028；另一类是已经搭建好的商用多功能放大器，如SIM910、SR570、SR560、PARC113.在实际搭建操作系统时，我们首选多功能放大器，因为多功能放大器操作简便、性能稳定，并且自身具备很多诸如滤波、反相、施加直流偏置等功能。而且它还具有串口和GPIB接口，可以实现与计算机通信的能力，方便计算机对其进行控制，这一点对于自动化测试系统来说非常重要。

放大电路的搭建中有几点要注意。首先，放大电路中的元件要仔细筛选，选择本底噪声低的元件。相比起多功能放大器，集成芯片虽然使用中调节放大倍数和滤波网络不方便，但它具有本底噪声更低的优势，如果测试一些噪声极低的样品，应首选集成芯片并自行设计放大电路。此时芯片外围电路中的电容、电感等器件要仔细挑选，选取噪声更低的电容和电阻。其次，电路面积要小。为了保证电路的抗干扰能力，要求将集成芯片和外围电路设计在面积尽量小的PCB板上，以此来减小电磁场干扰的回路面积。最后，样品适配器与放大器之间的距离越小越好。为了尽量避免适配器输出的信号在进入放大器之前混入空间干扰信号，要求在测试时放大器与适配器的距离越近越好[18]。

（3）数据采集设备

数据采集设备可以是频谱分析仪、示波器或安装在计算机主机上的数据采集卡。这些设备的功能是对被前端放大器放大到合适大小的信号进行记录。由于频谱分析仪、示波器主要用来实时显示型号，其优点是信号采集精度高，缺点是数据存储能力和处理能力差，并且功能单一。实际使用时，应当首选数据采集卡，因为数据采集卡依托计算机平台可以实现强大的数据处理和实时存储功能，并且一块数据采集卡可以同时实现时域分析、频域分析、数字输入输出、模拟输出等多种功能，从而组建一台强大的虚拟仪器。数据采集设备需要具备以下两个特点：第一，采样频率要高。根据信号采样原理的有关定律，数据采集卡的采样频率至少达到信号最高频率的两倍，才能将采集后的离散信