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)

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。