摘 要： 通過對(duì)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(jí)低熱噪聲偏壓輸出。測(cè)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(cè)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(cè)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(jí)偏壓信號(hào)觸發(fā)反應(yīng)狀態(tài)測(cè)試來評(píng)價(jià)其工作性能。
信號(hào)發(fā)生器自身熱噪聲過高會(huì)干擾或淹沒觸發(fā)信號(hào)，因此降低其熱噪聲是提高測(cè)試精度的關(guān)鍵。
熱噪聲源于電子熱運(yùn)動(dòng)，信號(hào)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(duì)此類傳感器測(cè)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(duì)多級(jí)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(jí)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(duì)其進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，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(dòng)會(huì)導(dǎo)致元器件內(nèi)熱噪聲，對(duì)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(duì)策
以上分析表明，電源對(duì)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(shì)，抑制熱噪聲強(qiáng)度；測(cè)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(jí)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(cè)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(jí)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(jí)抽頭，或通過電阻分壓，再經(jīng)整流獲得多級(jí)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(shí)有安全隱患；鎳氫型比能量高，但容量較小[3-4]。
測(cè)試中將輸出偏壓實(shí)際值與響應(yīng)比較，對(duì)輸出偏壓絕對(duì)值和級(jí)間值要求不高，即使鎳氫電池工作時(shí)有輸出壓降，也能滿足工作需要，且其放電時(shí)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(jí)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(gè)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(jí)偏壓，如圖2所示。
1號(hào)~32號(hào)電池和33號(hào)~64號(hào)電池各為一組，32號(hào)電池負(fù)極與33號(hào)電池正極構(gòu)成數(shù)字地V0，中間抽頭供各級(jí)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(jí)間為兩節(jié)電池，其余級(jí)間均為3節(jié)電池。
2.3 控制模塊
各級(jí)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(xiǎn)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(chǎng)效應(yīng)管工作方式導(dǎo)通時(shí)會(huì)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(gè)通道，實(shí)現(xiàn)從27 V~43 V各級(jí)輸出偏壓的轉(zhuǎn)換。控制系統(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(dòng)清零。
電壓輸出經(jīng)過反相器提供負(fù)偏壓，其對(duì)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(cè)試時(shí)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(cè)電壓、測(cè)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(jí)測(cè)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(cè)試偏壓，測(cè)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(duì)應(yīng)各電池組充電接口。
3 性能測(cè)試
主要測(cè)試參數(shù)為各級(jí)偏壓實(shí)際輸出值與設(shè)備顯示值差、各級(jí)偏壓輸出熱噪聲強(qiáng)度。測(cè)試過程在防靜電實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試環(huán)境溫度控制在25℃，濕度控制在55%。
3.1輸出偏壓測(cè)試
在電池組充滿條件下，用四位半萬用表電壓檔測(cè)試各級(jí)輸出偏壓，所得測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。
經(jīng)多次測(cè)試表明，各級(jí)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(cè)試
采用專用熱噪聲測(cè)試儀對(duì)各級(jí)輸出偏壓進(jìn)行測(cè)試，因熱噪聲源于電子的熱運(yùn)動(dòng)，故所測(cè)得的熱噪聲數(shù)據(jù)屬于矢量值。
先將測(cè)試儀測(cè)量端口正負(fù)極用導(dǎo)線短接，測(cè)得噪聲為儀器內(nèi)部熱噪聲N0；再將各級(jí)偏壓與儀器測(cè)試正負(fù)端相聯(lián)，啟動(dòng)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(jí)輸出偏壓的熱噪聲強(qiáng)度均方根。各級(jí)所測(cè)得數(shù)據(jù)如表3所示。
測(cè)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(shì)。這可能因串聯(lián)電池?cái)?shù)量增多，內(nèi)阻增大所致。但各級(jí)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(duì)熱噪聲篩選測(cè)試過程并不會(huì)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(cè)試結(jié)果表明，該熱噪聲測(cè)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(cè)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(duì)各節(jié)電池進(jìn)行充放電監(jiān)控，可有效延長(zhǎng)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。
參考文獻(xiàn)
[1] 毛毳. CMOS射頻接收芯片的片上低噪聲電源管理系統(tǒng) 研究與設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué),2008.
[2] 張昌駿.電源噪聲測(cè)試[J]. 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2009(2):52- 53.
[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(shù), 2001(6):6-8.
[4] 屈靠學(xué).小電壓電源噪聲的測(cè)量[J].電子產(chǎn)品世界,2011,8(8):54-56.
[5] 嚴(yán)爾梅,韋遠(yuǎn)武,虢韜,等.一種適用于同步整流開關(guān)電源的過零檢測(cè)電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(8):47-53.