摘  要： 通過對熱噪聲源與抑制技術(shù)手段的分析，以供電方式隔絕外界干擾,篩選器件并優(yōu)化控制電路,實(shí)現(xiàn)多級低熱噪聲偏壓輸出。測試結(jié)果表明，輸出噪聲均方根值可控制在0.6 μV以內(nèi),能滿足某高靈敏度電子器件的測試工作需要。

　　關(guān)鍵詞： 超低熱噪聲；電源系統(tǒng)；器件篩選；抑制控制；實(shí)驗(yàn)測試

　　航天飛行器運(yùn)行中需以紅外熱敏傳感器進(jìn)行姿態(tài)定位，這類器件要經(jīng)過多級偏壓信號觸發(fā)反應(yīng)狀態(tài)測試來評價其工作性能。

　　信號發(fā)生器自身熱噪聲過高會干擾或淹沒觸發(fā)信號，因此降低其熱噪聲是提高測試精度的關(guān)鍵。

　　熱噪聲源于電子熱運(yùn)動，信號發(fā)生系統(tǒng)由器件和控制電路組成，電源系統(tǒng)是熱噪聲的重要來源。目前針對此類傳感器測試設(shè)備的電源系統(tǒng)以自組裝為主，電壓提供多采用化學(xué)電池方式，雖然能滿足低噪聲的基本要求，但是缺少控制手段對多級偏壓進(jìn)行調(diào)整，而且輸出精確度沒有保證[1-2]。因此，在生產(chǎn)線上缺少可靠性好且噪聲水平低的實(shí)用化供電設(shè)備。

　　為使所設(shè)計(jì)的偏壓電源各級偏壓輸出熱噪聲強(qiáng)度均方根應(yīng)控制在1 μV以下，本文通過熱噪聲源分析，以供電方式、器件選擇、控制電路設(shè)計(jì)等途徑，降低輸出熱噪聲強(qiáng)度，并對其進(jìn)行測試評價，探求可行的改進(jìn)方案。

1 熱噪聲源分析

　　1.1 熱噪聲源分類

　　電子熱運(yùn)動會導(dǎo)致元器件內(nèi)熱噪聲，對于電阻型元件，熱噪聲強(qiáng)度Vn可由式(1)表示：

　　其中： K為玻爾茲曼常量(K=1.380 650 5×10-23 J/K)；T為工作溫度；B為工作帶寬；R為電阻值。

　　由此，可將熱噪聲源影響因素分為：

　　(1)器件本身屬性：以玻爾茲曼常數(shù)K為特征的器件物理參數(shù)，可根據(jù)其特點(diǎn)選擇；

　　(2)工作環(huán)境溫度：在設(shè)計(jì)上加以控制，但需考慮器件自身發(fā)熱；

　　(3)工作帶寬：要綜合考慮電源輸入方式和系統(tǒng)電路各種干擾因素；

　　(4)阻值：構(gòu)成電路的必需參數(shù)，在設(shè)計(jì)上需合理匹配，以降低熱噪聲增幅。

　　1.2 降低熱噪聲源對策

　　以上分析表明，電源對熱噪聲影響較大，為首要解決問題；器件特性源于工作原理，需合理篩選配置，可抑制噪聲源強(qiáng)度；發(fā)揮控制電路設(shè)計(jì)優(yōu)勢，抑制熱噪聲強(qiáng)度；測試實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證系統(tǒng)品質(zhì)的重要過程，也是探求提升系統(tǒng)性能的必要手段。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

　　根據(jù)設(shè)備供電要求，以降低各級輸出偏壓熱噪聲為目標(biāo)，構(gòu)建如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　系統(tǒng)由電源模塊、控制模塊和輸出顯示模塊組成。根據(jù)測試需要，電源模塊可提供最高±43 V的直流電壓，控制模塊將其分配成多級偏壓并由開關(guān)控制輸出，可通過控制面板操作并顯示工作狀態(tài)參數(shù)。

　　2.2 供電方式

　　一般電源是采用變壓器次級抽頭，或通過電阻分壓，再經(jīng)整流獲得多級直流電壓。但即使采用各種濾波手段，仍無法排除外界市電干擾。

　　為隔絕外界干擾，降低整流和穩(wěn)壓電路發(fā)熱，可采用蓄電池供電，以充放電方式工作。

　　常用蓄電池有鉛酸型、鋰型和鎳氫型等，鉛酸型容量大，比能量低；鋰型比能量大，過充時有安全隱患；鎳氫型比能量高，但容量較小[3-4]。

　　測試中將輸出偏壓實(shí)際值與響應(yīng)比較，對輸出偏壓絕對值和級間值要求不高，即使鎳氫電池工作時有輸出壓降，也能滿足工作需要，且其放電時熱噪聲很低，可忽略不計(jì)。

　　設(shè)計(jì)中采用多節(jié)鎳氫電池串聯(lián)成電池組，中間抽頭實(shí)現(xiàn)各級偏壓輸出。單節(jié)鎳氫電池充滿后電壓可達(dá)1.4 V~1.5 V，但因串聯(lián)電池?cái)?shù)量多，以防個別電池過充損壞，故單節(jié)電池設(shè)計(jì)電壓為1.34 V。

　　電源共采用64節(jié)鎳氫電池，分成兩組來提供±43 V各級偏壓，如圖2所示。

　　1號~32號電池和33號~64號電池各為一組，32號電池負(fù)極與33號電池正極構(gòu)成數(shù)字地V0，中間抽頭供各級偏壓輸出。設(shè)計(jì)電壓與電池?cái)?shù)匹配如表1所示,其中21 V~27 V級間為兩節(jié)電池，其余級間均為3節(jié)電池。

　　2.3 控制模塊

　　各級電壓采用電池分組串聯(lián)方式，需通過開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。為避免單片機(jī)晶振噪聲干擾，故采用各通道獨(dú)立邏輯控制[5]。

　　以共地端為V0，通過開關(guān)組合將不同電壓導(dǎo)向輸出端口，每路設(shè)1 A保險絲保護(hù)電池,電壓組合如圖3所示。

　　固體繼電器體積小，工作可靠，但場效應(yīng)管工作方式導(dǎo)通時會產(chǎn)生很大干擾。如采用獨(dú)立電源給電磁繼電器線圈供電，則觸點(diǎn)不受線圈電磁干擾，更加可靠。

　　控制系統(tǒng)由計(jì)數(shù)器配合譯碼器組成，按鍵觸發(fā)一次切換下一個通道，實(shí)現(xiàn)從27 V~43 V各級輸出偏壓的轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)如圖4所示。

　　按鍵觸發(fā)計(jì)數(shù)，防抖電路可防止單次按鍵多次計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器輸出接譯碼器，設(shè)計(jì)有復(fù)位電路，上電后自動清零。

　　電壓輸出經(jīng)過反相器提供負(fù)偏壓，其對應(yīng)電壓輸出進(jìn)入計(jì)數(shù)器。

　　為防止控制系統(tǒng)電路板供電影響輸出偏壓值的熱噪聲，因此采用鎳氫電池供電。設(shè)計(jì)工作電壓為6 V~9 V，采用5節(jié)電池串聯(lián)給反相器、譯碼器、計(jì)數(shù)器等芯片供電， 以兩組并聯(lián)增大容量， 獨(dú)立供電所采用的電路如圖5所示。

　　2.4 輸出與顯示模塊

　　整體供電設(shè)備采用特制機(jī)箱，分為前、后面板。后面板為充電面板，用于連接充電電源；前面板為主面板，布局如圖6所示。

　　主面板分為顯示區(qū)域、控制區(qū)域、指示區(qū)域、接口區(qū)域：

　　(1)顯示區(qū)域：以四位半數(shù)顯電壓表顯示10 V供電和輸出多路偏壓值，在測試時關(guān)閉數(shù)顯與電路，降低輸出干擾；

　　(2)控制區(qū)域：總電源、測電壓、測電流開關(guān)用于系統(tǒng)功能控制，切換檔位按鈕用于順序提供各級測試偏壓值；

　　(3)指示區(qū)域：以指示燈方式提示目前所處的各種工作狀態(tài)；

　　(4)接口區(qū)域：輸出航空插頭引出測試偏壓，測電流插口可接電流表顯示數(shù)據(jù)；

　　(5)后面板上主要是充電接口，以相近插頭色彩分別對應(yīng)各電池組充電接口。

3 性能測試

　　主要測試參數(shù)為各級偏壓實(shí)際輸出值與設(shè)備顯示值差、各級偏壓輸出熱噪聲強(qiáng)度。測試過程在防靜電實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測試環(huán)境溫度控制在25℃，濕度控制在55%。

　　3.1輸出偏壓測試

　　在電池組充滿條件下，用四位半萬用表電壓檔測試各級輸出偏壓，所得測試數(shù)據(jù)如表2所示。

　　經(jīng)多次測試表明，各級偏壓顯示值與實(shí)際輸出值差在0.19 V以下，精度可控制在0.001%之內(nèi)，可滿足使用要求。

　　3.2 輸出偏壓熱噪聲測試

　　采用專用熱噪聲測試儀對各級輸出偏壓進(jìn)行測試，因熱噪聲源于電子的熱運(yùn)動，故所測得的熱噪聲數(shù)據(jù)屬于矢量值。

　　先將測試儀測量端口正負(fù)極用導(dǎo)線短接，測得噪聲為儀器內(nèi)部熱噪聲N0；再將各級偏壓與儀器測試正負(fù)端相聯(lián)，啟動電源后儀器顯示熱噪聲Nr。

　　為消除儀器本身熱噪聲影響，如式(2)所示進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

　　所得數(shù)據(jù)Nn即為該級輸出偏壓的熱噪聲強(qiáng)度均方根。各級所測得數(shù)據(jù)如表3所示。

　　測試數(shù)據(jù)顯示，隨輸出偏壓升高，熱噪聲強(qiáng)度有上升趨勢。這可能因串聯(lián)電池?cái)?shù)量增多，內(nèi)阻增大所致。但各級輸出偏壓熱噪聲強(qiáng)度均方根值都低于0.6 μV，該系統(tǒng)對熱噪聲篩選測試過程并不會構(gòu)成明顯的影響。

　　本文通過熱噪聲源分析、系統(tǒng)規(guī)劃、供電方式選擇、器件特性分析與篩選、控制電路設(shè)計(jì)等途徑構(gòu)建超低噪聲電源系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該熱噪聲測試電源系統(tǒng)輸出熱噪聲強(qiáng)度控制在0.6 μV以內(nèi)，可滿足高精度熱噪聲元器件測試要求。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，因串聯(lián)數(shù)量大，各節(jié)電池充放電過程不均，直接影響電池的使用壽命，這可能是由于各電池內(nèi)阻差異所致。如對各節(jié)電池進(jìn)行充放電監(jiān)控，可有效延長電池使用壽命，但監(jiān)控系統(tǒng)投入可能高于電池更換成本，這需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和研究。

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