用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路

1.本实用新型涉及低噪声准理想直流电流源技术领域，尤其涉及一种用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路。


背景技术：

2.1/f噪声不但能够敏感而且无损的反映器件因材料、结构及工艺等不同所导致的微观缺陷或差异，应用于材料和电子元器件的优化设计、工艺控制、质量评定和可靠性筛选等。而且，通过噪声测试能够有效验证载流子输运的基础理论，促进噪声现象的物理本源探索。尽管有这些优点，但由于技术的局限性很难消除所有外部低频噪声源，以确保测得的噪声仅来自被测器件或材料。同时，薄膜电阻器件的噪声非常微弱，如文献：吴晟等在《电子元件与材料》2015年3月第34(3)卷62-66页发表的文章《一种测量薄膜电阻器微弱噪声的放大电路设计》，测得半掺杂的钙钛矿锰氧化物薄膜电阻pr1–
x
ca
x
mno3(pcmo)在电流为130μa时，1hz的1/f低频噪声功率密度为3.85x10-13v2
·
hz-1
，电阻热噪声为1.26x10-16v2
·
hz-1
。理想恒流源由于其输出阻抗无穷大，在四结合探针法测量薄膜电阻器件噪声时，理论上可以忽略接触电阻噪声的影响。因此，必须制作一种低噪声高输出阻抗的直流电流源电路。
3.薄膜材料在微型化、集成化、多功能、低成本等方面有着巨大的优势，将是未来海洋传感器发展的方向。材料的噪声特性是纳米器件性能的一个重要表征参数，直接决定了传感器的分辨率、信噪比和应用范围。所以，人们一直想制作一种低噪声高输出阻抗的直流电流源电路，如文献：ross等在期刊《review of scientific instruments》1993年第64(8)卷2379-2381页发表的文章《an extremely low noise,low cost,constant current supply》，设计了一种极低噪音低损耗恒流电源电路，该电路的输出阻抗为10mω，电流噪声为6.8x10-18
a2·
hz-1
。如文献：talukdar等在期刊《review of scientific instruments》2011年第82(1)卷013906页发表的文章《low noise constant current source for bias dependent noise measurements》，设计了一种用于偏置相关噪声测量的低噪声恒流源电路，该电路的输出阻抗为10kω，电流噪声为1.0x10-22
a2·
hz-1
。
4.上述两个直流源电路分别存在噪声大和阻抗小的不足，因此，设计一款兼顾高输出阻抗和低噪声的直流源就显得尤为重要。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是：克服现有技术中存在的不足，提供一种兼顾高输出阻抗和低噪声测量的直流电流源电路。
6.为实现上述目的，本实用新型如下技术方案：
7.一种用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路，包括耦合连接的差分放大电路和电压跟随器电路，所述差分放大电路包括第一电阻、第二电阻、第一集成运放和低噪声直流电压源，所述电压跟随器电路包括第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二集成运放；
8.所述第一电阻连接于所述第一集成运放的负相端和所述低噪声直流电压源的负极之间，所述第二电阻连接于所述第一集成运放的负相端和引出端之间，所述第一集成运放的正相端通过所述第五电阻与所述第二集成运放的引出端连接，所述低噪声直流电压源正极接地；
9.所述第一集成运放的引出端通过所述第三电阻与所述第二集成运放的正相端连接，所述第二集成运放的正相端通过所述第四电阻接地，所述第二集成运放的负相端与第二集成运放的引出端连接；所述第二集成运放的引出端通过第五电阻与第一集成运放的正相端及所述第六电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端接地。
10.优选的，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻均为高精度密封金属膜固定电阻器。
11.优选的，所述第六电阻是薄膜电阻器件。
12.优选的，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值均为464ω。
13.优选的，所述低噪声直流电压源的电压值为2e。
14.优选的，所述第五电阻阻值为1k欧姆，所述第六电阻阻值为100欧姆。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
16.1、输出阻抗测试：本直流源电路在频带范围为1hz—1mhz，ε分别取0、1.1x10-4
、2.1x10-4
、3.1x10-4
、4.1x10-4
、5.1x10-4
，r5为1kω时，在1hz—1khz频率范围内，输出阻抗均大于1mω，在1khz—1mhz范围内均大于1kω，满足于电路阻抗设计。
17.2、噪声测试：在频带为1hz—100khz范围内，噪声有低频1/f噪声和高频白噪声组成。在频率为1hz时处的1/f电流噪声功率谱密度为8.258x10-22
a2·
hz-1
，在10hz—100khz范围内，白噪声功率谱密度为4.576x10-23
a2·
hz-1
，满足于电路噪声设计。
18.3、本实用新型可以为薄膜电阻器件低频噪声的测量提供低噪声高输出阻抗的直流电流源从而消除噪声测量过程中接触噪声的影响。
附图说明
19.附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制，在附图中：
20.图1为本实用新型实施例提出的一种用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路原理图；
21.图2为本实用新型实施例中仿真电路输出阻抗测试图；
22.图3为本实用新型实施例中仿真电路等效输入噪声测试图。
具体实施方式
23.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.请参阅图1-图3，本实用新型提供一种用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路技术方案：
25.在本实用新型的一个实施例中,薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路包括耦合连接的差分放大电路和电压跟随器电路，所述差分放大电路包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一集成运放ad743-1和低噪声直流电压源，所述电压跟随器电路包括第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6和第二集成运放ad743-2，所述第一集成运放及第二集成运放的型号不限于ad743，其他可满足性能要求的集成运放也在本实用新型的应用范围之内；
26.所述第一电阻r1连接于第一集成运放ad743-1的负相端和低噪声直流电压源的负极；所述第二电阻r2连接于第一集成运放ad743-1的负相端和引出端之间；所述第一集成运放ad743-1的正相端通过第五电阻r5与第二集成运放ad743-2的引出端连接；所述低噪声直流电压源负极连接于第一电阻，正极接地；其中r1为第一电阻r1的电阻值，r2为第二电阻r2的电阻值；所述低噪声直流电压源负极连接于第一电阻，正极接地；
27.所述第一集成运放ad743-1的引出端通过第三电阻r3与第二集成运放ad743-2的正相端连接；所述第二集成运放ad743-2的正相端通过第四电阻r4接地；所述第二集成运放ad743-2的负相端与第二集成运放ad743-2的引出端连接；所述第二集成运放ad743-2的引出端通过第五电阻r5与第一集成运放ad743-1的正相端连接；所述第六电阻r6连接于第一集成运放ad743-1的正相端和地之间。
28.本实用新型的一个优选实施例中,直流电流源电路由差分放大电路和电压跟随电路组成，其输出电流的计算公式为：
[0029][0030]
其中va为第二集成运放的引出端，vb为第一集成运放的正相输入端，r5为第五电阻r5的阻值，va和vb通过第五电阻连接，v
sat
是第一集成电路和第二集成电路的直流供电电压，其值为15v，r6为第六电阻，是作为负载的薄膜电阻器件，r6一端与所述第一集成运放的正相端连接，另一端接地，r6的阻值优选为100ω。
[0031]
为了确保可以精准测量薄膜电阻器件r6的低频噪声，所述用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路的输出阻抗要远大于薄膜电阻器件r6的阻值，在本实用新型的一个优选实施例中，所述第五电阻的阻值为1kω，所述薄膜电阻器件r6的阻值为100欧姆，所述电流输出端的最大输出直流电流为6.8ma。
[0032]
所述用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路，其输出阻抗的计算公式为：
[0033][0034]
其中α表示第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻之间的一致性，α＝1，ε表示第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻之间的不匹配度，ad为开环增益的一阶滤波器近似值，r5为第五电阻的阻值。
[0035]
所述开环增益的一阶滤波器近似值计算公式为：
[0036]ad
＝a
d0
/(1+j
·
(f/f0))，
[0037]
其中a
d0
为开环增益，其值为106，j为复数的虚部单位，f为频率，f0一阶滤波器的截止频率，其值为30hz。
[0038]
在频带为1hz—100khz范围内，用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流电流源电路的输出电流白噪声功率谱密度为4.576x10-23
a2·
hz-1
，在频率为1hz时，所述直流源电路的输出1/f电流噪声功率谱密度为8.258x10-22
a2·
hz-1
；所述用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流源电路的输出电流噪声功率谱密度计算公式为：
[0039][0040]
其中r5为第五电阻r5的阻值，为第五电阻(r5)的热噪声率谱密度，为第一电阻(r1)、第二电阻(r2)、第三电阻(r3)和第四电阻(r4)的等效热噪声谱密度，r1＝r2＝r3＝r4＝r，为第一集成运放的电压噪声功率谱密度函数，为第二集成运放的电压噪声功率谱密度函数。
[0041]
所述第一集成运放、第二集成运放均为超低噪声、高精度、fet输入、单片运算放大器ad743，当频率为10khz时，白噪声功率密度谱为10.433x10-18v2
·
hz-1
，当频率为1hz时，1/f噪声功率谱密度为4.080x10-16v2
·
hz-1
；所述第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻均为高精度密封金属膜固定电阻器，所述第六电阻为薄膜电阻器件。
[0042]
本实用新型工作原理：由第一级的差分电路和第二级的电压跟随器耦合连接的构成回路，通过调节低噪声直流电压源2e的大小可输出固定的直流电流，输出直流电流的最大值为6.8ma。所述用于薄膜电阻器件低频噪声测量的直流源电路的输出电流噪声是各个电子器件自身存在噪声的叠加。
[0043]
如图2所示，是在ε分别取0、1.1x10-4
、2.1x10-4
、3.1x10-4
、4.1x10-4
、5.1x10-4
，r5为1kω时，在1hz—1mhz频带内，输出阻抗zs与r5的比值曲线图，事实上，当使用温度系数较低的电阻器时不匹配度小于5.1x10-4
很容易实现。本实用新型在1—1khz频带内输出阻抗zs均大于1mω，在1khz—1mhz范围内均大于1kω，有着良好的高输出阻抗性能。
[0044]
如图3所示，是本实用新型电路在在1hz—100khz频带内，r5取1kω时的输出电流噪声曲线图。
[0045]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均在本实用新型的保护范围内。