摘 要： 通过对热噪声源与抑制技术手段的分析，以供电方式隔绝外界干扰,筛选器件并优化控制电路,实现多级低热噪声偏压输出。测试结果表明，输出噪声均方根值可控制在0.6 μV以内,能满足某高灵敏度电子器件的测试工作需要。
关键词： 超低热噪声；电源系统；器件筛选；抑制控制；实验测试
航天飞行器运行中需以红外热敏传感器进行姿态定位，这类器件要经过多级偏压信号触发反应状态测试来评价其工作性能。
信号发生器自身热噪声过高会干扰或淹没触发信号，因此降低其热噪声是提高测试精度的关键。
热噪声源于电子热运动，信号发生系统由器件和控制电路组成，电源系统是热噪声的重要来源。目前针对此类传感器测试设备的电源系统以自组装为主，电压提供多采用化学电池方式，虽然能满足低噪声的基本要求，但是缺少控制手段对多级偏压进行调整，而且输出精确度没有保证[1-2]。因此，在生产线上缺少可靠性好且噪声水平低的实用化供电设备。
为使所设计的偏压电源各级偏压输出热噪声强度均方根应控制在1 μV以下，本文通过热噪声源分析，以供电方式、器件选择、控制电路设计等途径，降低输出热噪声强度，并对其进行测试评价，探求可行的改进方案。
1 热噪声源分析
1.1 热噪声源分类
电子热运动会导致元器件内热噪声，对于电阻型元件，热噪声强度Vn可由式(1)表示：
其中： K为玻尔兹曼常量(K=1.380 650 5×10-23 J/K)；T为工作温度；B为工作带宽；R为电阻值。
由此，可将热噪声源影响因素分为：
(1)器件本身属性：以玻尔兹曼常数K为特征的器件物理参数，可根据其特点选择；
(2)工作环境温度：在设计上加以控制，但需考虑器件自身发热；
(3)工作带宽：要综合考虑电源输入方式和系统电路各种干扰因素；
(4)阻值：构成电路的必需参数，在设计上需合理匹配，以降低热噪声增幅。
1.2 降低热噪声源对策
以上分析表明，电源对热噪声影响较大，为首要解决问题；器件特性源于工作原理，需合理筛选配置，可抑制噪声源强度；发挥控制电路设计优势，抑制热噪声强度；测试实验是验证系统品质的重要过程，也是探求提升系统性能的必要手段。
2 系统结构及实现
2.1 系统构成
根据设备供电要求，以降低各级输出偏压热噪声为目标，构建如图1所示的系统结构。
系统由电源模块、控制模块和输出显示模块组成。根据测试需要，电源模块可提供最高±43 V的直流电压，控制模块将其分配成多级偏压并由开关控制输出，可通过控制面板操作并显示工作状态参数。
2.2 供电方式
一般电源是采用变压器次级抽头，或通过电阻分压，再经整流获得多级直流电压。但即使采用各种滤波手段，仍无法排除外界市电干扰。
为隔绝外界干扰，降低整流和稳压电路发热，可采用蓄电池供电，以充放电方式工作。
常用蓄电池有铅酸型、锂型和镍氢型等，铅酸型容量大，比能量低；锂型比能量大，过充时有安全隐患；镍氢型比能量高，但容量较小[3-4]。
测试中将输出偏压实际值与响应比较，对输出偏压绝对值和级间值要求不高，即使镍氢电池工作时有输出压降，也能满足工作需要，且其放电时热噪声很低，可忽略不计。
设计中采用多节镍氢电池串联成电池组，中间抽头实现各级偏压输出。单节镍氢电池充满后电压可达1.4 V~1.5 V，但因串联电池数量多，以防个别电池过充损坏，故单节电池设计电压为1.34 V。
电源共采用64节镍氢电池，分成两组来提供±43 V各级偏压，如图2所示。
1号~32号电池和33号~64号电池各为一组，32号电池负极与33号电池正极构成数字地V0，中间抽头供各级偏压输出。设计电压与电池数匹配如表1所示,其中21 V~27 V级间为两节电池，其余级间均为3节电池。
2.3 控制模块
各级电压采用电池分组串联方式，需通过开关电路实现。为避免单片机晶振噪声干扰，故采用各通道独立逻辑控制[5]。
以共地端为V0，通过开关组合将不同电压导向输出端口，每路设1 A保险丝保护电池,电压组合如图3所示。
固体继电器体积小，工作可靠，但场效应管工作方式导通时会产生很大干扰。如采用独立电源给电磁继电器线圈供电，则触点不受线圈电磁干扰，更加可靠。
控制系统由计数器配合译码器组成，按键触发一次切换下一个通道，实现从27 V~43 V各级输出偏压的转换。控制系统如图4所示。
按键触发计数，防抖电路可防止单次按键多次计数。计数器输出接译码器，设计有复位电路，上电后自动清零。
电压输出经过反相器提供负偏压，其对应电压输出进入计数器。
为防止控制系统电路板供电影响输出偏压值的热噪声，因此采用镍氢电池供电。设计工作电压为6 V~9 V，采用5节电池串联给反相器、译码器、计数器等芯片供电， 以两组并联增大容量， 独立供电所采用的电路如图5所示。
2.4 输出与显示模块
整体供电设备采用特制机箱，分为前、后面板。后面板为充电面板，用于连接充电电源；前面板为主面板，布局如图6所示。
主面板分为显示区域、控制区域、指示区域、接口区域：
(1)显示区域：以四位半数显电压表显示10 V供电和输出多路偏压值，在测试时关闭数显与电路，降低输出干扰；
(2)控制区域：总电源、测电压、测电流开关用于系统功能控制，切换档位按钮用于顺序提供各级测试偏压值；
(3)指示区域：以指示灯方式提示目前所处的各种工作状态；
(4)接口区域：输出航空插头引出测试偏压，测电流插口可接电流表显示数据；
(5)后面板上主要是充电接口，以相近插头色彩分别对应各电池组充电接口。
3 性能测试
主要测试参数为各级偏压实际输出值与设备显示值差、各级偏压输出热噪声强度。测试过程在防静电实验室内进行，测试环境温度控制在25℃，湿度控制在55%。
3.1输出偏压测试
在电池组充满条件下，用四位半万用表电压档测试各级输出偏压，所得测试数据如表2所示。
经多次测试表明，各级偏压显示值与实际输出值差在0.19 V以下，精度可控制在0.001%之内，可满足使用要求。
3.2 输出偏压热噪声测试
采用专用热噪声测试仪对各级输出偏压进行测试，因热噪声源于电子的热运动，故所测得的热噪声数据属于矢量值。
先将测试仪测量端口正负极用导线短接，测得噪声为仪器内部热噪声N0；再将各级偏压与仪器测试正负端相联，启动电源后仪器显示热噪声Nr。
为消除仪器本身热噪声影响，如式(2)所示进行数据处理：
所得数据Nn即为该级输出偏压的热噪声强度均方根。各级所测得数据如表3所示。
测试数据显示，随输出偏压升高，热噪声强度有上升趋势。这可能因串联电池数量增多，内阻增大所致。但各级输出偏压热噪声强度均方根值都低于0.6 μV，该系统对热噪声筛选测试过程并不会构成明显的影响。
本文通过热噪声源分析、系统规划、供电方式选择、器件特性分析与筛选、控制电路设计等途径构建超低噪声电源系统。测试结果表明，该热噪声测试电源系统输出热噪声强度控制在0.6 μV以内，可满足高精度热噪声元器件测试要求。运行中发现，因串联数量大，各节电池充放电过程不均，直接影响电池的使用寿命，这可能是由于各电池内阻差异所致。如对各节电池进行充放电监控，可有效延长电池使用寿命，但监控系统投入可能高于电池更换成本，这需要进一步实验和研究。
参考文献
[1] 毛毳. CMOS射频接收芯片的片上低噪声电源管理系统 研究与设计[D].杭州：浙江大学,2008.
[2] 张昌骏.电源噪声测试[J]. 电子设计应用,2009(2):52- 53.
[3] 孙逢春,何洪文,陈勇,等. 镍氢电池充放电特性研究[J].汽车技术, 2001(6):6-8.
[4] 屈靠学.小电压电源噪声的测量[J].电子产品世界,2011,8(8):54-56.
[5] 严尔梅,韦远武,虢韬,等.一种适用于同步整流开关电源的过零检测电路[J].电子技术应用,2013,39(8):47-53.