电阻噪声大?电阻工艺关系到电阻噪声水平
2019-12-12 07:40

众所周知,电子系统的内部噪声是制约其性能、质量和可靠性的关键因素之一。噪声的大小决定了系统的分辨率和可检测最小信号幅度。而分立元件,以凯发国际平台电阻器为代表,是系统噪声的主要来源之一。在一些高端精密设备上,如发烧友音箱、精密电桥等等,要求电阻具有极低的噪声水平。

电阻器总噪声由多个成分组成,与信号检测密切相关的主要是热噪声(Thermal noise)和电流噪声(Current noise)。

热噪声,起源于晶体中载流子的随机热运动。对于电阻器件,其热噪声只与阻值和温度有关,噪声功率谱表达式:

ST=4kTR 

( 玻尔兹曼常数k=1.38×10-23, T为绝对温度,R为电阻值 )

当电阻的阻值和温度相同,任何工艺类型的电阻器的热噪声量级均相同。

电流噪声,是电阻噪声主要贡献者,也是我们研究的主要对象。它指载流子在外加电场作用下定向运动,并不断遭到晶粒边界与缺陷的阻挡与散射,产生载流子的阻滞效应,宏观上引起电压涨落的现象。其噪声功率谱密度:

(K为取决于电阻元件材料及其制造工艺的参数,I为通过电阻的直流电流,R为电阻阻值,f为频率)

可以看出电阻的材料与制程工艺对电流噪声的影响巨大。

电阻材料晶粒越小、缺陷数量与杂志浓度越低,那么其电流噪声也越低。在国际上,常用电流噪声系数(Noise Index)来描述不同电阻工艺的电流噪声水平:

电阻两端每一伏特直流电压在十倍频程内产生的均方根噪声电压(μV)的对数值,用dB表示;

u是十进位带宽上的均方根噪声电压VRMS(噪声电压有效值),而U是电阻器上的直流电压降。

市场上,不同类型的电阻,其电阻电流噪声水平不同:

① 基于复合电阻材料(如碳和厚膜)的电阻器的电流噪声等级最高。这是由于这些电阻元件材料的显著非均质性造成的。这些复合材料中的导电路径是由隔离矩阵中相互接触的导电粒子形成的。当电流流经这些“接触位置”中的不稳定接触点时,它们便产生噪声。

② 薄膜电阻具有相当强的均质结构,因此噪声较低。电阻薄膜是通过在陶瓷基板上蒸发或者喷溅电阻材料而形成。在制程上,通过选择平滑基片材料,调整溅射工艺,把控溅射材料的钝度,通常可以大大减少溅射薄膜中的缺陷数量与杂质浓度。

③ 箔电阻通过真空熔炼镍铬合金,并多少冷轧成箔片,经过热处理的箔片贴在陶瓷板上。相比于溅射的镍铬薄膜,箔片晶格更加均匀整齐,大大降低了噪声产生的几率。

下列为不同工艺电阻噪声水平对比图:

开步电子PZFR系列箔电阻,噪声水平在-42dB。

我们以绕线电阻为例,当电路中有直流电流经过非线绕电阻时,就有一种有别于热噪声的所谓电流噪声电动势出现。电阻的电流噪声电动势和电阻两端的直流电压大体上成正比,而其功谱密度则和频率成反比。由于人们很难从测量系统中排除被测电阻的热噪声和放大器的内部噪声对电流噪声测量的干扰,为了测定电流噪声电动势,就必须测得测量系统的系统噪声,即被测电阻的热噪声和噪声放大器的内部噪声。

电阻的戴维宁噪声模型由噪声电压源和纯电阻构成

电阻的噪声大小其实牵扯很多因素,通常与电阻的噪声和电阻的电流噪声电动势、电阻的材料、结构和工艺等复杂因素有关,这些因素都是电阻产生噪声的原因之一。出于此类因素,很多研发电阻公司在解决电阻噪声问题上都有不同的设计方案,而目前C&B开步电子针对不同行业研发不同工艺的电阻器,加大对电阻材料和技术的研发力度,使得高精密电阻器的噪声都会降低到一定的水平。

目前众多电阻噪声测量设备都可以对电阻进行噪声测试,通过测量活动电阻的电流噪声和其他数据信息,所得的测量数据可以精准的反馈电阻的性能。另一方面电阻噪声的大小也反应出电阻的工业制作水平,与传统电阻相比而言高端精密电阻器的噪声就非常小,其实是精密电阻器在工艺上、材料、设计结构方面进行了优化处理,这种类型的精密电阻器噪声非常小,很大程度上满足了很多高端仪器对电阻噪声小的精密电阻器的需求。

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