屏蔽：

　　测量固有噪声时，消除外来噪声源是很重要的。常见的外来噪声源有：电源线路“拾取”（“拾取”是指引入外来噪声，比如 60Hz 噪声）、监视器噪声、开关电源噪声以及无线通信噪声。通常利用屏蔽外壳将所测电路放置于其中。屏蔽外壳通常由铜、铁或铝制成，而重要的是屏蔽外壳应与系统接地相连。

　　一般来说，电源线缆和信号线缆是通过外壳上的小孔连接到屏蔽外壳内电路的。这些小孔尽可能地小，数量也要尽可 
能地少，这一点非常重要。实际上，解决好接缝、接合点以及小孔的（电磁）泄露，就可以实现较好的屏蔽效果。 [1] 

　　图 6.1 举例显示了一种极易构建且非常有效的屏蔽外壳，该屏蔽外壳是采用钢漆罐制成的（这些材料可从绝大多数五金商店买到，而且价格也不高）。漆罐有紧密的接缝，并且罐盖的设计可以使我们方便地接触到所测电路。请注意，I/O 信号是采用屏蔽式同轴线缆进行连接的，该同轴线缆采用 BNC 插孔-插孔式连接器将其连接到所测试的电路；BNC 插孔-插孔式连接器壳体与漆罐进行电气连接。外壳唯一的泄露路径是将电源连接到所测电路的三个香蕉插头 (banana connector)。为了实现最佳的屏蔽效果，应确保漆罐密封紧固。

　　图 6.2 为测试用漆罐装配示意图

图 6.2：测试用漆罐装配示意图

　　检测噪声底限

　　一个常见的噪声测量目标是测量低噪声系统或组件的输出噪声。通常的情况是，电路输出噪声太小，以至于绝大多数的标准测试设备都无法对其进行测量。通常，会在所测试电路与测试设备之间放一个低噪声升压放大器 (boost amplifier)（见图 6.3）。采用该种配置的关键是升压放大器的噪声底限要低于所测电路的输出噪声，从而使得所测电路噪声能在测量中反映出来。经验规则显示，升压放大器的噪声底限应比所测电路输出端的噪声小三倍。在下文中将给出该规则的理论解释。在进行噪声测量时，对噪声底限进行检测是特别重要的一个步骤。通常情况下，噪声底限是通过将增益模块或测量仪器的输入短路而测得的。第 5 部分详细阐述了不同类型设备的噪声底限测量。若不能检测出噪声底限，通常会导致错误的结果。

图  6.3：常用的测量技术

图  6.4：测量噪声底限

　　噪声底限说明

　　为获得最佳测量结果，测量系统的噪声底限相对于所测的噪声水平而言，应是可以忽略不计的。一个常用的经验规则是确保噪声底限至少比所测的噪声信号小三倍。图 6.5 显示了如何对所测电路的噪声输出和噪声底限进行矢量增加操作 (add as vector)。图 6.6显示了假设所测噪声比噪声底限大三倍的误差分析。使用该经验规则所得出的最大误差是 6%。若噪声底限比所测噪声小 10 倍，并进行同样的计算，则误差将为 0.5%。

图 6.5：噪声向量加

图  6.6：噪声底限误差（单位：百分比）
使用真有效值 (RMS) 表对OPA627 示例电路进行测量

　　回忆一下在第 3 部分和第 4 部分我们分析了一款使用 OPA627 的非反相运算放大器电路。现在我们将阐述如何使用一个真有效值 (RMS) 表对该噪声进行测量。图 6.7 阐明了 OPA627 的测试配置。请注意，此测试配置的所测结果与第 3 部分和第 4 部分计算及模拟数值基本吻合（计算结果为 325uV，测量结果为 346uV）。图 6.8 说明了噪声测量的详细步骤。

图 6.7：使用一个真有效值 (RMS) 表对 OPA627 电路噪声进行测量

　　1.检验测量设备（例如，真正的 RMS 数字电压表）的噪声底限，通常此项工作是通过短接设备输入完成的。

　　2.检查参数，以确保测量设备有合适的带宽和读数精度。检查设备说明书，看是否有可对读数进行优化的特殊操作模式。

　　3.将测试电路放置于屏蔽外壳内。该外壳应连接到信号接地，并确保最小化外壳上切割的任何孔洞。

　　4.在条件允许的情况下使用电池电源以最小化噪声。线性电源也属于低噪声电源。开关电源通常噪声很大，并可能是应用中主要的噪声来源。

　　5.使用屏蔽线缆将所测电路连接到测量设备。

　　6.确保电路正常工作。在我们的例子中，OPA627 的典型失调电压为 40uV，电路增益为 100，因此您将看到 4mV 的直流输出电压。当然，由于设备的不同，这一数值也会变化，但是您不会看到若干伏特的输出。

　　7.使用不同的仪表对噪声进行测量，并比较结果。使用示波器和真正的 RMS 数字电压表是一个很好的方法，因为您可以在示波器上看到波形。示波器上的波形将告诉您是否存在白噪声、1/f 噪声、60Hz 噪声“拾取”，或振荡。示波器也会让您对峰至峰噪声水平有粗略概念。另一方面，真正的 RMS 数字电压表并不给出噪声类型信息，但是会给出准确的 RMS 噪声数值。频谱分析仪在噪声分析中也是一个很好的工具，因为它可以以离散频率形式显示所有的问题（例如，噪声拾取、或噪声峰化）。

　　8.在条件允许的情况下将测量结果与计算和模拟结果进行比较。通常计算结果和测量结果会有很好的一致性。

　　图 6.8：测量噪声步骤　　使用示波器测量 OPA627 示例电路

　　图 6.9 显示了如何使用一个示波器对第 3 部分和第 4 部分的电路进行测量。使用时，观察示波器上的噪声波形并估计峰至峰数值。假设噪声是呈高斯分布（也称正态分布）的，则您可以将其除以 6，以获得 RMS 噪声的近似值（关于详细情况见第 1 部分）。所测的示波器近似输出为 2.4mVp-p，因此 RMS 噪声为 2.4mVp-p/6=400uV rms。这与第 3 部分和第 4 部分的计算和模拟数值相比，有很好的一致性。（计算值为 325uV，测量值为 400uV）。

图  6.9：用示波器测量 OPA627 电路噪声

电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。

图1、晶体三极管（NPN）的结构
图一是NPN管的结构图，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，从图可见发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的

PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射

结正确，发射区的多数载流子（电子）极基区的多数载流子（控穴）很容易地截越过发射结构互相向反方各扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过

发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流Ie。
由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复

合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补纪念给，从而形成了基极电流Ibo根据电流连续性原理得：
Ie=Ib+Ic
这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib
式中：β--称为直流放大倍数，
集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：
β= △Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
 

二、三极管的特性曲线
 
1、输入特性
图2 （b)是三极管的输入特性曲线，它表示Ib随Ube的变化关系，其特点是：1）当Uce在0-2伏范围内，曲线位置和形状与Uce 有关，但当Uce高于2伏后，

曲线Uce基本无关通常输入特性由两条曲线（Ⅰ和Ⅱ）表示即可。
2）当Ube＜UbeR时，Ib≈O称（0～UbeR)的区段为“死区”当Ube＞UbeR时，Ib随Ube增加而增加，放大时，三极管工作在较直线的区段。
3）三极管输入电阻，定义为:
rbe=(△Ube/△Ib)Q点，其估算公式为：
rbe=rb+(β+1)(26毫伏/Ie毫伏）
rb为三极管的基区电阻，对低频小功率管，rb约为300欧。
2、输出特性
输出特性表示Ic随Uce的变化关系（以Ib为参数）从图2（C）所示的输出特性可见，它分为三个区域：截止区、放大区和饱和区。
截止区 当Ube＜0时，则Ib≈0，发射区没有电子注入基区，但由于分子的热运动，集电集仍有小量电流通过，即Ic=Iceo称为穿透电流，常温时Iceo约为

几微安，锗管约为几十微安至几百微安，它与集电极反向电流Icbo的关系是：
Icbo=(1+β)Icbo
常温时硅管的Icbo小于1微安，锗管的Icbo约为10微安，对于锗管，温度每升高12℃，Icbo数值增加一倍，而对于硅管温度每升高8℃，Icbo数值增大一倍

，虽然硅管的Icbo随温度变化更剧烈，但由于锗管的Icbo值本身比硅管大，所以锗管仍然受温度影响较严重的管，放大区，当晶体三极管发射结处于正偏

而集电结于反偏工作时，Ic随Ib近似作线性变化，放大区是三极管工作在放大状态的区域。
饱和区 当发射结和集电结均处于正偏状态时，Ic基本上不随Ib而变化，失去了放大功能。根据三极管发射结和集电结偏置情况，可能判别其工作状态。

图2、三极管的输入特性与输出特性
截止区和饱和区是三极管工作在开关状态的区域，三极管和导通时，工作点落在饱和区，三极管截止时，工作点落在截止区。

三、三极管的主要参数
 
1、直流参数
（1）集电极一基极反向饱和电流Icbo，发射极开路（Ie=0)时，基极和集电极之间加上规定的反向电压Vcb时的集电极反向电流，它只与温度有关，在一

定温度下是个常数，所以称为集电极一基极的反向饱和电流。良好的三极管，Icbo很小，小功率锗管的Icbo约为1～10微安，大功率锗管的Icbo可达数毫

安，而硅管的Icbo则非常小，是毫微安级。
（2）集电极一发射极反向电流Iceo(穿透电流）基极开路（Ib=0）时，集电极和发射极之间加上规定反向电压Vce时的集电极电流。Iceo大约是Icbo的β

倍即Iceo=(1+β)Icbo o Icbo和Iceo受温度影响极大，它们是衡量管子热稳定性的重要参数，其值越小，性能越稳定，小功率锗管的Iceo比硅管大。
（3）发射极---基极反向电流Iebo 集电极开路时，在发射极与基极之间加上规定的反向电压时发射极的电流，它实际上是发射结的反向饱和电流。
（4）直流电流放大系数β1（或hEF） 这是指共发射接法，没有交流信号输入时，集电极输出的直流电流与基极输入的直流电流的比值，即：
β1=Ic/Ib
2、交流参数
（1）交流电流放大系数β（或hfe） 这是指共发射极接法，集电极输出电流的变化量△Ic与基极输入电流的变化量△Ib之比，即：
β= △Ic/△Ib
一般晶体管的β大约在10-200之间，如果β太小，电流放大作用差，如果β太大，电流放大作用虽然大，但性能往往不稳定。
（2）共基极交流放大系数α（或hfb） 这是指共基接法时，集电极输出电流的变化是△Ic与发射极电流的变化量△Ie之比，即：
α=△Ic/△Ie
因为△Ic＜△Ie，故α＜1。高频三极管的α＞0.90就可以使用
α与β之间的关系：
α= β/（1+β）
β= α/（1-α）≈1/（1-α）
（3）截止频率fβ、fα 当β下降到低频时0.707倍的频率，就是共发射极的截止频率fβ；当α下降到低频时的0.707倍的频率，就是共基极的截止频率f

αo fβ、fα是表明管子频率特性的重要参数，它们之间的关系为：
fβ≈（1-α）fα
（4）特征频率fT因为频率f上升时，β就下降，当β下降到1时，对应的fT是全面地反映晶体管的高频放大性能的重要参数。
3、极限参数
（1）集电极最大允许电流ICM 当集电极电流Ic增加到某一数值，引起β值下降到额定值的2/3或1/2，这时的Ic值称为ICM。所以当Ic超过ICM时，虽然不

致使管子损坏，但β值显著下降，影响放大质量。
（2）集电极----基极击穿电压BVCBO 当发射极开路时，集电结的反向击穿电压称为BVEBO。
（3）发射极-----基极反向击穿电压BVEBO 当集电极开路时，发射结的反向击穿电压称为BVEBO。
（4）集电极-----发射极击穿电压BVCEO 当基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，使用时如果Vce＞BVceo，管子就会被击穿。
（5）集电极最大允许耗散功率PCM 集电流过Ic，温度要升高，管子因受热而引起参数的变化不超过允许值时的最大集电极耗散功率称为PCM。管子实际的

耗散功率于集电极直流电压和电流的乘积，即Pc=Uce×Ic.使用时庆使Pc＜PCM。
PCM与散热条件有关，增加散热片可提高PCM。

为此，近期宦开展下列研究工作：
     a．不断完善和修订、制订相应的标准并组织宣贯；
     b.完善整流和逆变模块、智能化蓄电池放电装置、分布式绝缘检测装置、集中监控器、高抗腐蚀长寿命蓄电池、电子式短路短延时脱扣直流断路器和直流馈线绝缘检测保护断路器、蓄电池巡检仪和充放电安时计等配套元器件的性能，并降低生产成本；
     c．开展直流空气开关之间及对熔断器的级差配合保护研究，保证直流电源故障、停电范围限制到最小；
     d．开发蓄电池在线监测系统(蓄电池阻抗检测或容量检测仪)；
     e．推广使用同时满足不同输出电压要求的控制、保护、测量和通讯的蓄电池直流电源装置，包括直流电源与不间断电源(UPS)一体化装置；
     f．统一直流电源各元器件之间的通讯规约，解决各厂元器件的通用性和互换性；
     g.研究在电力系统推广和采用胶体蓄电池的可能性。

     当然，随着科学技术进步和用户的需求，直流电源装置中还有很多工作要做，要研究，希望在国家电网公司领导下，充分发挥由中国电力科学研究院开关所组织的《电力系统直流电源技术委员会》的作用，不断总结运行经验，分析和研究新问题，设计、制造和使用部门共同提出新要求，应用新技术，推广新产品，在新的形势下，继承十多年来的工作作风，努力工作、开发、应用最新技术生产高质量直流电源设备和配套元器件产品，使我国电力系统直流电源成为世界上最安全最先进最可靠的直流电源，也希望各电网公司、电力公司、发电公司及发电厂的直流负责人积极支持这项工作，为实现这一目标而共同努力。