eng
Рассмотрены результаты экспериментальных исследований фликкер-шума толстопленочных резисторов. Приведены сведения об измерительных установках и полученные зависимости плотности шума от частоты для тестовых образцов с различными резисторами.
УДК 621.316.8 | ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.180.9.100.106
УДК 621.316.8 | ВАК 05.27.01
DOI: 10.22184/1992-4178.2018.180.9.100.106
ОПИСАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ[1]
Тестовый образец представляет собой мостовую схему (рис. 1). Ее питание осуществляется от батареи. Для регулировки смещения нуля служит подстроечный резистор 3250W‑1-503 компании Bourns. Напряжение мостовой схемы подается на малошумящий дифференциальный усилитель на основе интегральных схем (ИС) AD8676 и INA103 или только одной ИС INA103.
Макетная плата для подключения тестовых образцов и испытательная установка представлены на рис. 2 и 3 соответственно.
Были изготовлены тестовые образцы 17 типов, отличавшихся применяемыми резисторами (табл. 1, рис. 4), при этом четыре типа образцов (К, L, N и R) были выполнены с использованием подстроечных (переменных) резисторов (рис. 5а), а тип Т был построен на 16 резисторах (рис. 5б).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Измеренный шум включает в себя следующие составляющие:
• шум напряжения усилителя (на рис. 6–8 показан темно-синим цветом);
• шум тока усилителя, помноженный на сопротивление;
• тепловой шум резистора (теоретическое значение показано на рис. 6–8 красным цветом);
• фликкер-шум, возникающий при протекании тока через резистор.
Оранжевым цветом на рис. 6–8 показан шум при отсутствии напряжения, который должен представлять собой сумму шума напряжения усилителя, шума тока усилителя, помноженного на сопротивление, и теплового шума.
Для тонкопленочных резисторов практически отсутствует разница между шумом при наличии и отсутствии напряжения, что говорит о том, что фликкер-шум таких резисторов очень низок.
На низких частотах фликкер-шум толстопленочных резисторов может превышать шум тонкопленочных резисторов примерно в 100 раз, металлокерамических подстроечных резисторов – примерно в 1 000 раз. При повышении напряжения ситуация еще более ухудшается, поскольку фликкер-шум пропорционален приложенному напряжению.
Для расчета фликкер-шума отдельного резистора следует умножить измеренное значение на графике на величину 2U / (11,5 В), где U – приложенное напряжение.
Если четыре резистора составляют один комбинированный резистор, фликкер-шум следует разделить на 2.
РЕКОМЕНДАЦИИ
Если шум является важным параметром устройства, следует использовать тонкопленочные резисторы. По возможности следует избегать применения подстроечных (металлокерамических) резисторов. Также не рекомендуется использовать проволочные переменные резисторы, поскольку у них существует минимальный шаг сопротивления и значение сопротивления может случайным образом меняться между соседними шагами.
При необходимости выполнения операции регулировки прибора следует использовать несколько постоянных резисторов, соединенных параллельно. При этом можно действовать следующим образом:
1. Подключить подстроечный резистор.
2. Выполнить регулировку.
3. Отключить подстроечный резистор и измерить его сопротивление в данной позиции.
4. Выбрать постоянный резистор из ряда с ближайшим номиналом, превышающим измеренное сопротивление.
5. Подключить подстроечный резистор параллельно постоянному.
6. Повторить процедуру необходимое количество раз.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛИККЕР-ШУМА РЕЗИСТОРОВ БОЛЬШОГО НОМИНАЛА
Для измерения фликкер-шума резисторов большого номинала была использована оптимизированная установка (рис. 9–11). Измерялся только шум напряжения полумоста. Шумы усилителя, как напряжения, так и тока, были ниже, чем у усилителя, применявшегося в первой установке.
Был измерен шум при отключенной батарее (сумма теплового шума и шумов усилителя), а затем шум при подключенной батарее. Затем была выбрана декада частоты, в которой сигнал был наиболее подходящим для расчетов, и в этой декаде была рассчитана разность шумов. После этого был получен коэффициент шума для отдельного резистора F = Uш СКЗ / Uпост., где Uш СКЗ – среднеквадратичное напряжение шума, Uпост. – постоянная составляющая напряжения, по следующей формуле:
F = Uдоп. ш. / Uп ∙ 2 √—2,
где Uдоп. ш. – дополнительное напряжение шума (разность напряжений шумов при подключенной и отключенной батарее) в пределах декады, Uп – напряжение батареи (18 В).
В примере, показанном на рис. 12, в диапазоне частот от 1 до 100 Гц наблюдаются пики, которые вызваны вибрацией испытательной установки, поскольку она очень чувствительна к вибрации при работе с резисторами с большим номиналом. При частоте выше 0,1 Гц шум снижается, что происходит из-за емкостной нагрузки, образуемой проводами и усилителем.
В диапазоне от 10 до 100 мГц кривая шума при отсутствии постоянного тока в резисторе (синяя линия) плоская и расположена несколько выше ожидаемого теплового шума. Бóльшая величина шума вызвана входным шумом тока усилителя. Для расчетов был выбран диапазон 10…100 мГц.
В этом диапазоне напряжение шума при отключенной батарее составляет 1,76 ∙ 10–5 В СКЗ, при подключенной – 3,55 ∙ 10–4 В СКЗ, разность Uдоп. ш. = 3,4 ∙ 10–4 В СКЗ. Коэффициент шума F = 5,3 ∙ 10–5. Иногда коэффициент шума представляется в децибелах: FдБ = 20 lg (Uш СКЗ ∙ 106 / Uпост.).
В табл. 2 приведены значения коэффициента шума для различных образцов.
На рис. 13 отмечены значения коэффициента шума F для различных типов резисторов и их номинальных сопротивлений. Из графика видно, что характер расположения точек ниже и выше значения F = 1 ∙ 10–7 различен, при этом ниже данного значения располагаются точки, соответствующие только тонкопленочным резисторам, а выше – как толстопленочным резисторам, так и резисторам, заявленным как тонкопленочные.
Это наводит на мысль о том, что некоторые резисторы, обозначенные в описаниях как тонкопленочные, на самом деле не являются таковыми, по крайней мере при больших номиналах, а тонкопленочные резисторы в корпусе 0805 с сопротивлением более 1 МОм не выпускаются. Тонкопленочным резистором с бóльшим сопротивлением может являться CNS020-10MP от Vishay Sfernice, однако он имеет достаточно большие размеры. Измерения его фликкер-шума в рамках данной работы не проводилось. ●
Тестовый образец представляет собой мостовую схему (рис. 1). Ее питание осуществляется от батареи. Для регулировки смещения нуля служит подстроечный резистор 3250W‑1-503 компании Bourns. Напряжение мостовой схемы подается на малошумящий дифференциальный усилитель на основе интегральных схем (ИС) AD8676 и INA103 или только одной ИС INA103.
Макетная плата для подключения тестовых образцов и испытательная установка представлены на рис. 2 и 3 соответственно.
Были изготовлены тестовые образцы 17 типов, отличавшихся применяемыми резисторами (табл. 1, рис. 4), при этом четыре типа образцов (К, L, N и R) были выполнены с использованием подстроечных (переменных) резисторов (рис. 5а), а тип Т был построен на 16 резисторах (рис. 5б).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Измеренный шум включает в себя следующие составляющие:
• шум напряжения усилителя (на рис. 6–8 показан темно-синим цветом);
• шум тока усилителя, помноженный на сопротивление;
• тепловой шум резистора (теоретическое значение показано на рис. 6–8 красным цветом);
• фликкер-шум, возникающий при протекании тока через резистор.
Оранжевым цветом на рис. 6–8 показан шум при отсутствии напряжения, который должен представлять собой сумму шума напряжения усилителя, шума тока усилителя, помноженного на сопротивление, и теплового шума.
Для тонкопленочных резисторов практически отсутствует разница между шумом при наличии и отсутствии напряжения, что говорит о том, что фликкер-шум таких резисторов очень низок.
На низких частотах фликкер-шум толстопленочных резисторов может превышать шум тонкопленочных резисторов примерно в 100 раз, металлокерамических подстроечных резисторов – примерно в 1 000 раз. При повышении напряжения ситуация еще более ухудшается, поскольку фликкер-шум пропорционален приложенному напряжению.
Для расчета фликкер-шума отдельного резистора следует умножить измеренное значение на графике на величину 2U / (11,5 В), где U – приложенное напряжение.
Если четыре резистора составляют один комбинированный резистор, фликкер-шум следует разделить на 2.
РЕКОМЕНДАЦИИ
Если шум является важным параметром устройства, следует использовать тонкопленочные резисторы. По возможности следует избегать применения подстроечных (металлокерамических) резисторов. Также не рекомендуется использовать проволочные переменные резисторы, поскольку у них существует минимальный шаг сопротивления и значение сопротивления может случайным образом меняться между соседними шагами.
При необходимости выполнения операции регулировки прибора следует использовать несколько постоянных резисторов, соединенных параллельно. При этом можно действовать следующим образом:
1. Подключить подстроечный резистор.
2. Выполнить регулировку.
3. Отключить подстроечный резистор и измерить его сопротивление в данной позиции.
4. Выбрать постоянный резистор из ряда с ближайшим номиналом, превышающим измеренное сопротивление.
5. Подключить подстроечный резистор параллельно постоянному.
6. Повторить процедуру необходимое количество раз.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ФЛИККЕР-ШУМА РЕЗИСТОРОВ БОЛЬШОГО НОМИНАЛА
Для измерения фликкер-шума резисторов большого номинала была использована оптимизированная установка (рис. 9–11). Измерялся только шум напряжения полумоста. Шумы усилителя, как напряжения, так и тока, были ниже, чем у усилителя, применявшегося в первой установке.
Был измерен шум при отключенной батарее (сумма теплового шума и шумов усилителя), а затем шум при подключенной батарее. Затем была выбрана декада частоты, в которой сигнал был наиболее подходящим для расчетов, и в этой декаде была рассчитана разность шумов. После этого был получен коэффициент шума для отдельного резистора F = Uш СКЗ / Uпост., где Uш СКЗ – среднеквадратичное напряжение шума, Uпост. – постоянная составляющая напряжения, по следующей формуле:
F = Uдоп. ш. / Uп ∙ 2 √—2,
где Uдоп. ш. – дополнительное напряжение шума (разность напряжений шумов при подключенной и отключенной батарее) в пределах декады, Uп – напряжение батареи (18 В).
В примере, показанном на рис. 12, в диапазоне частот от 1 до 100 Гц наблюдаются пики, которые вызваны вибрацией испытательной установки, поскольку она очень чувствительна к вибрации при работе с резисторами с большим номиналом. При частоте выше 0,1 Гц шум снижается, что происходит из-за емкостной нагрузки, образуемой проводами и усилителем.
В диапазоне от 10 до 100 мГц кривая шума при отсутствии постоянного тока в резисторе (синяя линия) плоская и расположена несколько выше ожидаемого теплового шума. Бóльшая величина шума вызвана входным шумом тока усилителя. Для расчетов был выбран диапазон 10…100 мГц.
В этом диапазоне напряжение шума при отключенной батарее составляет 1,76 ∙ 10–5 В СКЗ, при подключенной – 3,55 ∙ 10–4 В СКЗ, разность Uдоп. ш. = 3,4 ∙ 10–4 В СКЗ. Коэффициент шума F = 5,3 ∙ 10–5. Иногда коэффициент шума представляется в децибелах: FдБ = 20 lg (Uш СКЗ ∙ 106 / Uпост.).
В табл. 2 приведены значения коэффициента шума для различных образцов.
На рис. 13 отмечены значения коэффициента шума F для различных типов резисторов и их номинальных сопротивлений. Из графика видно, что характер расположения точек ниже и выше значения F = 1 ∙ 10–7 различен, при этом ниже данного значения располагаются точки, соответствующие только тонкопленочным резисторам, а выше – как толстопленочным резисторам, так и резисторам, заявленным как тонкопленочные.
Это наводит на мысль о том, что некоторые резисторы, обозначенные в описаниях как тонкопленочные, на самом деле не являются таковыми, по крайней мере при больших номиналах, а тонкопленочные резисторы в корпусе 0805 с сопротивлением более 1 МОм не выпускаются. Тонкопленочным резистором с бóльшим сопротивлением может являться CNS020-10MP от Vishay Sfernice, однако он имеет достаточно большие размеры. Измерения его фликкер-шума в рамках данной работы не проводилось. ●
Отзывы читателей
