ГОСТ 18986.23-80 Стабилитроны полупроводниковые. Методы измерения спектральной плотности шума

ГОСТ 18986.23-80

Группа Э29

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

СТАБИЛИТРОНЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

Методы измерения спектральной плотности шума

Zener diodes. Methods for measuring spectral noise density

Дата введения 1982-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 12.12.80 N 5804 дата введения установлена 01.01.82

Ограничение срока действия снято Постановлением Госстандарта от 30.08.91 N 1410

ИЗДАНИЕ (август 2002 г.) с Изменением N 1, утвержденным в сентябре 1986 г. (ИУС 12-86).

Настоящий стандарт распространяется на полупроводниковые стабилитроны и устанавливает два метода измерения спектральной плотности шума :

- метод 1 применяют при измерении спектральной плотности шума стабилитронов с установленной полосой частот измерения в диапазоне 5 Гц - 30 МГц;

- метод 2 применяют при измерении спектральной плотности шума прецизионных стабилитронов с установленной полосой частот измерения в диапазоне 0,01-5 Гц.

Общие требования при измерениях должны соответствовать ГОСТ 18986.0-74 и требованиям, изложенным в соответствующих разделах настоящего стандарта.

1. МЕТОД 1

1.1. Принцип и условия измерения

1.1.1. Спектральную плотность шума определяют по результатам измерения среднеквадратического значения напряжения шума стабилитрона в установленной полосе частот.

1.1.2. Измерения проводят на одной частоте при выполнении условия полосности фильтра

, (1)

где - верхняя граничная частота полосы пропускания вольтметра на уровне 0,7, Гц;

- нижняя граничная частота полосы пропускания вольтметра на уровне 0,7, Гц.

Если не выполняется условие 1, то измерение проводят в полосе частот.

1.1.3. Условие измерения (температура) и электрический режим измерения (ток стабилизации и полоса частот) должны соответствовать установленным в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов.

1.2. Аппаратура

1.2.1. Для измерения следует применять установку, электрическая структурная схема которой приведена на черт.1.

- генератор постоянного тока; - измеряемый стабилитрон; - вольтметр для измерения среднеквадратического значения напряжения

Черт.1

Электрические параметры вольтметров для измерения среднеквадратического значения напряжения приведены в приложении 3.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

1.2.2. Генератор постоянного тока должен обеспечивать установление тока с погрешностью в пределах ±5%.

1.2.3. Реактивная составляющая полного входного сопротивления измерительной установки может быть компенсирована резонансным контуром.

1.2.4. Спектральная плотность напряжения собственных шумов и электромагнитных помех измерительной установки не должна превышать значения измеряемой спектральной плотности шума стабилитрона.

1.2.5. Для измерения собственных шумов установки стабилитрон заменяют цепью, состоящей из параллельно включенных резистора и конденсатора .

Сопротивление резистора должно соответствовать соотношению

, (2)

где - дифференциальное сопротивление стабилитрона в режиме измерения спектральной плотности шума, установленное в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов, Ом.

Емкость конденсатора должна соответствовать условию

, (3)

где - общая емкость стабилитрона, установленная в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов, Ф.

Конденсатор не устанавливают при выполнении условия

, (4)

где - частота измерения, Гц ( при измерении в полосе частот).

(Измененная редакция, Изм. N 1).

1.2.6. Спад амплитудно-частотной характеристики вольтметра среднеквадратического значения должен быть не менее 12 дБ/окт.

1.3. Подготовка и проведение измерений

1.3.1. Измеряемый стабилитрон заменяют цепью, состоящей из параллельно включенных резистора и конденсатора , параметры которых приведены в п.1.2.5.

1.3.2. Генератором постоянного тока устанавливают ток, равный номинальному току стабилизации.

1.3.3. Измеряют напряжение собственных шумов и электромагнитных помех измерительной установки по истечении времени 4, где - постоянная времени вольтметра среднеквадратического значения.

1.3.4. Цепь, состоящую из резистора и конденсатора , заменяют стабилитроном.

1.3.5. Стабилитрон выдерживают в течение времени, указанного в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов, но не менее чем 4.

1.3.6. Измеряют напряжение шумов стабилитрона .

1.4. Обработка результатов

1.4.1. Спектральную плотность напряжения шумов стабилитрона определяют по формуле

, (5)

а при выполнении условия

(6)

по формуле

, (7)

где - ширина эффективной полосы шума измерительной установки, Гц;

при выполнении условия

. (8)

Метод определения приведен в приложении 1.

1.5. Показатели точности измерения

1.5.1. Общая погрешность измерения спектральной плотности шума должна находиться в пределах ±20% с доверительной вероятностью 0,95.

1.5.2. Общую погрешность измерения спектральной плотности шума определяют по формуле

, (9)

где - погрешность, учитывающая погрешность измерения вольтметра среднеквадратического значения, %.

При определении спектральной плотности шума по формуле (5)

, (10)

где - погрешность измерения вольтметра среднеквадратического значения , %.

При определении спектральной плотности шума по формуле (7)

; (11)

- погрешность определения ширины эффективной полосы шума измерительной установки, %, определяется по методике, изложенной в приложении 1;

- погрешность, учитывающая длительность времени измерения, %.

При выполнении условия (6)

. (12)

При выполнении условия (8)

; (13)

- погрешность неточности задания тока стабилизации, %.

Для стабилитронов конкретного типа погрешность определяют с использованием зависимости , которая должна указываться в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов, при отсутствии этой зависимости неточность задания тока должна быть в пределах ±1% ;

- погрешность влияния входного сопротивления измерительной установки, %, определяемая по формулам:

при выполнении условия

, (14)

, (15)

где - входное сопротивление измерительной установки, Ом;

- входная емкость измерительной установки, Ф.

Если условие (14) не выполняется, то

, (16)

где

; (17)

- частота измерения, Гц ( при измерении в полосе частот);

- погрешность влияния собственных шумов и электромагнитных наводок измерительной установки, %.

При определении спектральной плотности шума по формуле (5)

0; (18)

при определении спектральной плотности шума по формуле (7)

; (19)

- погрешность, учитывающая коэффициент амплитуды вольтметра , %.

Значение погрешности приведено на черт.2.

Черт.2

2. МЕТОД 2

2.1. Принцип и условия измерения

2.1.1. Спектральную плотность шума определяют по результатам измерения мгновенных значений напряжения шума в установленной полосе частот и вычисления среднеквадратического значения.

2.1.2. Условия и режим измерения - по п.1.1.3.

2.2. Аппаратура

2.2.1. Измерение следует проводить на установке, электрическая структурная схема которой приведена на черт.3.

- генератор постоянного тока; - измеряемый стабилитрон; - термостат; - измеритель напряжения; - регистрирующее устройство

Черт.3

(Измененная редакция, Изм. N 1).

2.2.2. Генератор постоянного тока должен обеспечивать ток с погрешностью в пределах ±1%.

2.2.3. Полоса пропускания вольтметра на уровне 0,7 должна находиться в диапазоне частот измерения от до ( и указывают в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов).

2.2.4. Спад амплитудно-частотной характеристики вольтметра за пределами полосы пропускания должен быть не менее 12 дБ/окт.

2.2.5. Интервалы времени между двумя последовательными измерениями мгновенных значений должны быть не более 1/6.

2.2.6. Термостат должен обеспечивать поддержание температуры с погрешностью в пределах ±0,2 °С.

2.3. Подготовка и проведение измерения

2.3.1. Генератором постоянного тока устанавливают ток стабилизации .

2.3.2. Стабилитрон выдерживают под током в термостатируемом объеме в течение времени, указанного в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов.

2.3.3. Измерителем напряжения измеряют напряжение шума стабилитрона :

- при измерении на частоте - в течение времени, равного или более 4;

- при измерении в полосе частот - в течение времени .

Метод определения времени приведен в приложении 2.

2.4. Обработка результатов

Спектральную плотность шума вычисляют по формуле

, (20)

где - мгновенное значение напряжения стабилизации (при измерении вольтметром постоянного тока);

- число измерений в серии.

2.4.1. Размах напряжения шума определяют по формуле

, (21)

где - максимальное значение напряжения стабилизации за время измерения в указанном диапазоне частот, В;

- минимальное значение напряжения стабилизации за время измерения в указанном диапазоне частот, В.

2.5. Показатели точности измерения

2.5.1. Общая погрешность измерения спектральной плотности шума в инфранизкочастотной области должна находиться в пределах ±30% с доверительной вероятностью 0,95.

2.5.2. Общую погрешность измерения спектральной плотности напряжения шума в инфранизкочастотной области определяют по формуле

, (22)

где - погрешность измерения вольтметра , %;

- погрешность изменения температуры в термостатируемом объеме, вычисляемая в процентах по формуле

, (23)

где - погрешность поддержания температуры в термостатируемом объеме , °С;

- номинальное значение напряжения стабилизации измеряемого стабилитрона, В;

- значение температурного коэффициента напряжения стабилизации, указанное в стандартах или технических условиях на стабилитроны конкретных типов, %/°С;

- погрешность определения ширины эффективной полосы шума измерительной установки, %, определяемой по методу, изложенному в приложении 1;

- погрешность длительности времени измерения, %, определяют по методу, указанному в приложении 2;

- погрешность входного сопротивления измерителя , вычисляемая в процентах по формуле

, (24)

где - входное сопротивление измерителя напряжения , Ом;

- входное сопротивление генератора , Ом;

- погрешность влияния собственных шумов и электромагнитных помех измерительной установки, %.

Погрешность определяют при замене стабилитрона в измерительной установке проволочным резистором с сопротивлением и измерением собственных шумов и электромагнитных помех измерительной установки;

- относительная погрешность влияния коэффициента амплитуды вольтметра , %.

Значения относительной погрешности приведены на черт.2, при 5; 0.

2.5.3. Погрешность измерения размаха напряжения шума должна находиться в пределах ±30% с доверительной вероятностью 0,95.

2.5.4. Общую относительную погрешность измерения размаха напряжения шума определяют по формуле

.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочное

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ ЭФФЕКТИВНОЙ ПОЛОСЫ ШУМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

1. Метод определения ширины эффективной полосы шума при помощи генератора гармонического сигнала

1.1. Измерения проводят на установке, структурная схема которой представлена на черт.1 настоящего приложения.

- генератор напряжения гармонического сигнала; - частотомер; - резистор; - конденсатор; - установка для измерения спектральной плотности напряжения шума

Черт.1

1.2. Значение сопротивления резистора должно быть в пределах ±20% значения .

1.3. Значение емкости конденсатора должно быть в пределах ±20% значения .

1.4. Проведение измерения

1.4.1. Генератором напряжения гармонического сигнала на вход установки подают напряжение, не менее чем в 100 раз превышающее напряжение собственных шумов и электромагнитных помех измерительной установки.

1.4.2. Изменяя частоту напряжения генератора в полосе пропускания измерительной установки, проводят измерение зависимости

,

где - показание измерительного прибора установки;

- частота генератора.

1.5. Обработка результатов

1.5.1. Методом численного интегрирования вычисляют интеграл

. (1)

1.5.2. Определяют ширину эффективной полосы шума измерительной установки по формуле

. (2)

1.6. Общую погрешность определения ширины эффективной полосы шума измерительной установки определяют по формуле

, (3)*

_______________

* Формула соответствует оригиналу. - .

где - погрешность задания напряжения генератором напряжения гармонического сигнала , %;

- относительная погрешность измерения частоты частотометром , %;

- погрешность измерителя измерительной установки, %;

- погрешность численного интегрирования, %;

- погрешность неточности задания и поддержания центральной частоты при измерении на одной частоте, %, вычисляют по формуле

, (4)

где - погрешность задания и поддержания частоты при измерении на одной частоте, %;

0 - при измерении в полосе частот.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

2. Метод определения ширины эффективной полосы шума измерительной установки при помощи генератора шума

2.1. Измерения проводят на установке, структурная электрическая схема которой приведена на черт.2 настоящего приложения.

- генератор шума; - измерительная установка

Черт.2

2.2. Значение выходного сопротивления генератора шума должно быть одного порядка со значением дифференциального сопротивления измеряемого стабилитрона.

2.3. Генератором шума на вход установки подают шум со спектральной плотностью , превышающей не менее чем в 100 раз значение спектральной плотности собственного шума и электромагнитных помех измерительной установки.

2.4. Измерительным прибором установки измеряют среднеквадратическое значение напряжения шума .

2.5. Определяют ширину эффективной полосы шума по формуле

. (5)

2.6. Общую относительную погрешность определения ширины эффективной полосы шума определяют по формуле

, (6)

где - погрешность задания спектральной плотности генератором шума , %;

- погрешность измерения напряжения шума измерительной установки;

- погрешность влияния входного сопротивления измерительной установки, %, определяется по формуле

, (7)

где - выходное сопротивление генератора шума , Ом.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Обязательное

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ И ПОГРЕШНОСТИ , ВЫЗВАННОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ВРЕМЕНИ ИЗМЕРЕНИЯ

1. Провести число измерений спектральной плотности шума стабилитрона , каждое в течение времени .

Число измерений должно быть достаточным для получения надежных оценок математического ожидания и дисперсии.

2. Определить оценки для математического ожидания и дисперсии () проведенной серии измерений по формулам:

; (1)

. (2)

3. Задать значение .

4. Вычислить значение по формуле

, (3)

где - квантиль распределения Стьюдента;

- искомое число измерений.

5. Для односторонней доверительной вероятности 0,975 по полученному значению определить требуемое число измерений .

6. Время измерения при заданном значении равно

. (4)

7. Если полученное значение велико, то следует задаться новым значением и повторить вычисления по пп.4-6.

8. Полученные значения и записывают в стандарты или технические условия на стабилитроны конкретных типов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное

Таблица 1

Справочная таблица электрических параметров вольтметров среднеквадратического напряжения

Таблица 2

Справочная таблица электрических параметров селективных вольтметров

Таблица 3

Справочная таблица электрических параметров генераторов шума

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. (Измененная редакция, Изм N 1).

Электронный текст документа

и сверен по:

М.: ИПК Издательство стандартов, 2002