高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--高阻器件噪声测试技术的验证和应用

4.1电压噪声测试技术的验证

4.1.1测试技术验证方案及验证标准

为了验证该系统的可靠性，我们采用图3.9中的测试方法对1M的厚膜电阻进行了电压噪声测试，其中Rx为待测阻值为1M的厚膜电阻，Rt为400K绕线电阻，R1为25K可变绕线电阻，R2为10K绕线电阻。

这里要注意，以上电阻的阻值都是标称容值，实际的阻值会与标称值有一定差异，因此在实际测试时，需要调整R1，直至两边电桥平衡。电桥平衡的表现是放大器输入信号中无直流偏置。放大器采用自行设计的AD743放大电路。验证标准分别采用一个定性验证标准和一个定量验证标准。

如果测试结果是正确的，我们会在信号功率谱密度的低频段看到明显的1/f噪声信号曲线，或者是1/f噪声信号与爆裂噪声的叠加曲线，这种曲线会随着频率的增大而不断降低，并且在对数坐标中，其斜率近似为-1.同时我们还会在曲线上频率稍高的部分看到一条直线，该直线为热噪声。对于定量验证标准，我们采用著名的胡格公式（2-9）。根据公式（2-9）我们很容易的推得，器件的电压功率谱噪声应该与器件两端所施加偏置电压的平方成正比。

4.1.2测试技术验证结果

我们分别在16V和32V的直流偏执下测试了样品的电压噪声，测试结果如图4.1所示。图中在50Hz的整数倍的频点处的尖峰为计算机电源信号传入的谐波干扰，从图中我们可以明显看出两条曲线的在低频端的趋势均符合1/f噪声的特点，这说明本测试技术所测得的结果即为器件的1/f噪声。

图4.1只是通过定性分析来验证该测试方法，接下来，我们结合具体数据和低频噪声有关理论来证明测试技术的可靠性。现将曲线中的频点数据列于下表：

从上表中我们可以看出，当样品两端的偏压增加了一倍，其噪声功率谱密度的数值都变为大约原来的4倍，这与胡格公式相吻合，因此说明本研究中设计的新的测试技术是可靠的。

4.2电流噪声测试技术的验证

4.2.1测试技术验证方案及验证标准

该验证实验中，我们测试了标称容值为157 uF的聚合物钽电解电容的漏电流噪声。其等效绝缘电阻大于500MΩ，额定电压为6.3V，测试条件为室温300K，对器件两端所加测试电压为5V，电流放大器采用SR570电流放大器，放大倍数为5×10 ⁷。

我们首先对测试数据进行噪声曲线的直观定性验证。对器件及介质材料噪声信号的功率谱密度性质的研究表明，器件或介质材料功率谱密度谱图在高频部分应该为一幅值为常量A并与X轴（频率坐标轴）平行的直线，该直线即为样品的白噪声，是一定会有的噪声成分。但由于电流放大器对信号的衰减，我们无法观察到这一与X轴平行直线。如果本方案中的方法正确，我们在展宽频带还原信号后的功率谱密度图中应该可以看到该直线。

另一方面，我们还对测试数据进行了定量验证。如果该方法正确，则该测试方法中的归一化函数在还原电流噪声功率谱密度的高频部分时，能保证其低频段数据与传统方法所测得的数据基本一致。

4.2.2测试技术验证结果

图4.2是采用传统方法在上述实验条件下测得的电流噪声功率谱密度图，由于放大器通频带过于狭窄，100Hz以上频带部分的热噪声信号出现衰减失真。

图4.3是利用本方案展宽频带还原后的信号。可以看到还原后的信号在500Hz-5KHz的高频部分出现了应该观察到的白噪声，这与低频噪声基本理论吻合。

图4.4是采用已有测试方法和本方案方法的对比图。可以看到还原后的信号在1Hz-100Hz的频率范围内与传统方法没有失真的低频段数据吻合度非常高。这说明本方案中的信号还原展宽频带的方法在将高频部分信号还原的同时，能确保对信号未失真的低频部分数据无明显影响。在该验证试验中，本方案中的测试方法将信号的频带展宽了50倍。

4.3电压噪声测试技术应用于高阻厚膜电阻的筛选

4.3.1噪声对高阻厚膜电阻的影响

大阻值厚膜电阻主要应用在微电流检测电路和微弱信号放大系统以及各类传感器上（雷达、放射性测量仪、夜视系统、红外测量、电子显微技术、质普仪）。

其工作原理如下：来自于上述传感器的输出电流通常很小，甚至会小到pA或fA级，为了采集到如此微弱的信号，我们通常会让微弱的电流流过一个阻值非常大的电阻，这样我们就将微弱的电流信号转换为大到系统可以分辨的电压信号，使信号的采集工作能正常完成。

然而这类系统的分辨率会受到电阻低频噪声的影响。由于电阻自身会由热噪声产生一个噪声电压；并且作为电子器件，电阻本身也会产生1/f噪声，甚至爆裂噪声，因此这些噪声电压分量的叠加后的电压就是系统的最小分辨率。由于个体电阻的微观材料内部缺陷数量有所不同，因此不同电阻的1/f噪声值幅值会有所不同。同样的，部分样品在生产过程中混入了深能级重金属杂质，因而具有爆裂噪声，使该器件的噪声幅值明显增加。所以在众多样品中挑选出噪声电压最低的电阻作为传感器系统的关键部件对整个系统的分辨率提高有显著的作用。

4.3.2噪声测试实验方案