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

　　關鍵詞： 超低熱噪聲；電源系統；器件篩選；抑制控制；實驗測試

　　航天飛行器運行中需以紅外熱敏傳感器進行姿態(tài)定位，這類器件要經過多級偏壓信號觸發(fā)反應狀態(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鍵。

　　熱噪聲源于電子熱運動，信號發(fā)生系統由器件和控制電路組成，電源系統是熱噪聲的重要來源。目前針對此類傳感器測試設備的電源系統以自組裝為主，電壓提供多采用化學電池方式，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行調整，而且輸出精確度沒有保證[1-2]。因此，在生產線上缺少可靠性好且噪聲水平低的實用化供電設備。

　　為使所設計的偏壓電源各級偏壓輸出熱噪聲強度均方根應控制在1 μV以下，本文通過熱噪聲源分析，以供電方式、器件選擇、控制電路設計等途徑，降低輸出熱噪聲強度，并對其進行測試評價，探求可行的改進方案。

1 熱噪聲源分析

　　1.1 熱噪聲源分類

　　電子熱運動會導致元器件內熱噪聲，對于電阻型元件，熱噪聲強度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K為特征的器件物理參數，可根據其特點選擇；

　　(2)工作環(huán)境溫度：在設計上加以控制，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電路各種干擾因素；

　　(4)阻值：構成電路的必需參數，在設計上需合理匹配，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，可抑制噪聲源強度；發(fā)揮控制電路設計優(yōu)勢，抑制熱噪聲強度；測試實驗是驗證系統品質的重要過程，也是探求提升系統性能的必要手段。

2 系統結構及實現

　　2.1 系統構成

　　根據設備供電要求，以降低各級輸出偏壓熱噪聲為目標，構建如圖1所示的系統結構。

　　系統由電源模塊、控制模塊和輸出顯示模塊組成。根據測試需要，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控制輸出，可通過控制面板操作并顯示工作狀態(tài)參數。

　　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際值與響應比較，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。

　　設計中采用多節(jié)鎳氫電池串聯成電池組，中間抽頭實現各級偏壓輸出。單節(jié)鎳氫電池充滿后電壓可達1.4 V~1.5 V，但因串聯電池數量多，以防個別電池過充損壞，故單節(jié)電池設計電壓為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號電池負極與33號電池正極構成數字地V0，中間抽頭供各級偏壓輸出。設計電壓與電池數匹配如表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方式，需通過開關電路實現。為避免單片機晶振噪聲干擾，故采用各通道獨立邏輯控制[5]。

　　以共地端為V0，通過開關組合將不同電壓導向輸出端口，每路設1 A保險絲保護電池,電壓組合如圖3所示。

　　固體繼電器體積小，工作可靠，但場效應管工作方式導通時會產生很大干擾。如采用獨立電源給電磁繼電器線圈供電，則觸點不受線圈電磁干擾，更加可靠。

　　控制系統由計數器配合譯碼器組成，按鍵觸發(fā)一次切換下一個通道，實現從27 V~43 V各級輸出偏壓的轉換?？刂葡到y如圖4所示。

　　按鍵觸發(fā)計數，防抖電路可防止單次按鍵多次計數。計數器輸出接譯碼器，設計有復位電路，上電后自動清零。

　　電壓輸出經過反相器提供負偏壓，其對應電壓輸出進入計數器。

　　為防止控制系統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。設計工作電壓為6 V~9 V，采用5節(jié)電池串聯給反相器、譯碼器、計數器等芯片供電， 以兩組并聯增大容量， 獨立供電所采用的電路如圖5所示。

　　2.4 輸出與顯示模塊

　　整體供電設備采用特制機箱，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：以四位半數顯電壓表顯示10 V供電和輸出多路偏壓值，在測試時關閉數顯與電路，降低輸出干擾；

　　(2)控制區(qū)域：總電源、測電壓、測電流開關用于系統功能控制，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據；

　　(5)后面板上主要是充電接口，以相近插頭色彩分別對應各電池組充電接口。

3 性能測試

　　主要測試參數為各級偏壓實際輸出值與設備顯示值差、各級偏壓輸出熱噪聲強度。測試過程在防靜電實驗室內進行，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，所得測試數據如表2所示。

　　經多次測試表明，各級偏壓顯示值與實際輸出值差在0.19 V以下，精度可控制在0.001%之內，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行測試，因熱噪聲源于電子的熱運動，故所測得的熱噪聲數據屬于矢量值。

　　先將測試儀測量端口正負極用導線短接，測得噪聲為儀器內部熱噪聲N0；再將各級偏壓與儀器測試正負端相聯，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)所示進行數據處理：

　　所得數據Nn即為該級輸出偏壓的熱噪聲強度均方根。各級所測得數據如表3所示。

　　測試數據顯示，隨輸出偏壓升高，熱噪聲強度有上升趨勢。這可能因串聯電池數量增多，內阻增大所致。但各級輸出偏壓熱噪聲強度均方根值都低于0.6 μV，該系統對熱噪聲篩選測試過程并不會構成明顯的影響。

　　本文通過熱噪聲源分析、系統規(guī)劃、供電方式選擇、器件特性分析與篩選、控制電路設計等途徑構建超低噪聲電源系統。測試結果表明，該熱噪聲測試電源系統輸出熱噪聲強度控制在0.6 μV以內，可滿足高精度熱噪聲元器件測試要求。運行中發(fā)現，因串聯數量大，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阻差異所致。如對各節(jié)電池進行充放電監(jiān)控，可有效延長電池使用壽命，但監(jiān)控系統投入可能高于電池更換成本，這需要進一步實驗和研究。

　　參考文獻

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　　[3] 孫逢春,何洪文,陳勇,等. 鎳氫電池充放電特性研究[J].汽車技術, 2001(6):6-8.

　　[4] 屈靠學.小電壓電源噪聲的測量[J].電子產品世界,2011,8(8):54-56.

　　[5] 嚴爾梅,韋遠武,虢韜,等.一種適用于同步整流開關電源的過零檢測電路[J].電子技術應用,2013,39(8):47-53.