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基准噪音问答 Voltage Reference Noise Q&A

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex

一、何谓噪音?(of 电压源、电压基准、运放)
噪音也叫做噪声,简单说,噪音就是无规则的波动。
作为电压基准、电压源,理想情况就是无噪音,电压一直保持不变。
但是实际上,噪音总是或多或少存在的。有了噪音,基准的重复性就不好,也就是短稳不好,多次测试的结果就有差异。
因此,噪音、噪声、短稳、重复性,在这里可以认为是一个意思。

常见噪音可以分成
1、白噪音,也叫约翰逊噪音,是热运动引起的,所以也叫热噪音。在比较高一些的频率上,噪音随频率变化是平的。
2、粉红噪音(1/f噪音),机理比较复杂,一般认为主要是来自于晶体缺陷、表面不稳定性所引起的复合电流的涨落。

图:电压噪音源频谱密度分布(来自Keithley Low Level Measurement)
横轴是频率,左边是低频、超低频,主要是1/f噪音,右边是比较平的、不随频率改变的白噪音。另外还有其它多种,大部分为外部的噪音。

 




图:直观观察测试(来自LTZ1000手册)
横轴是时间,纵轴是幅度。这实际上是在示波器上观察得到的、长时间扫面的画面。当然,进入示波器前有放大。

 



可以直观的看到,噪音的频谱是相当宽的,有频率很高、变化很快的部分,也有频率低、变化慢的部分。一个正常的噪音,是完全无规则的、随机的、杂乱的。如果能在噪音的曲线上看出有规律的东西,比如持续走低、周期性波动,那其实就不是噪音了,而是包含了比如温度漂移或干扰信号。二、噪音与我们玩基准有何关系和危害?

噪音最主要的危害,就是使得电压测试不准。
噪音表现在无规则波动,是直接叠加到信号上去的,造成测试读数的变动、重复行不好、短稳不好。
最常见的测试采样周期是1秒附近(0.1秒到10秒),因此,0.1Hz到10Hz的低频噪音影响最大,所以大部分半导体器件的噪音都是以这个频段为基础测试和标定的,所谓低频噪音。

并非说其它噪音不重要,但作为我们最关心的电压基准万用表,最重要的是低频噪音。因为在测试的过程中,中高频噪音可以被滤掉,或者万用表先天就对中高频噪音有比较强的抑制作用。
因此,高精度的标准源、电压基准、高位表,都对噪音有很高的要求,并都可以查到低频噪音的指标。

对比:量块、平晶,是高精度的长度单位,要求表面非常光滑,看起来都是镜面的,两个两块都能互相因分子力而粘合。如果不是这样,那么测量不同的位置,读数就不一样了。
 

 


三、低频噪音是怎么度量的?常见器件和基准的噪音有多大?

低频噪音一般都是指0.1Hz到10Hz的,这落在大部分仪器常规采样周期之内。

先看一个Jambalaya测试图。

 



这个是用2个7V进行背靠背差值测试,用了6位半的0.1V档,这样的测试分辨能力非常高,而且也测试了比较长的时间,所以很能反映实际的低频和超低频噪音。
其中粉色线是电压(差),每一格是1uV,是24小时的测试周期。可以看到,在短暂的时间内,波动可能很小比如在0.5uV之内,但时间一长,就能波动到3uV,这就是超低频噪音了。

其实,这就是一个简单而直观的噪音测试方法。如果其中的一个7V没有噪音,那么所有的波动就是另外一个7V的。但事实上两个7V的噪音大体是一样的,所以根据合成理论,单个的噪音大概能比图上的低40%。

在首帖上曾提过,测试噪音,一般是用一个1000倍的放大器,把噪音放大1000倍,这样1uV就放大成1mV了,然后用示波器来观察,采样时间10秒。如果是模拟示波器,就把照片拍下来。如果是数字示波器,就用0.05秒的间隔采样200个。早期的运放的噪音图,真的是从示波器上拍下来的,比如OP07的:

 

Aeon做了个近1000倍的放大器,用Rigol示波器可以直接观察各基准的噪音:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=351

 


  

 

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