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. 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

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Справочное

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. - Примечание изготовителя базы данных.

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

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). СПРАВОЧНАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛЬТМЕТРОВ СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ; СПРАВОЧНАЯ ТАБЛИЦА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЕЛЕКТИВНЫХ ВОЛЬТМЕТРОВ; СПРАВОЧНАЯ ТАБЛИЦАЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРОВ ШУМА

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Справочное

Таблица 1

Справочная таблица электрических параметров вольтметров среднеквадратического напряжения

Тип	Предел измерения	Диапазон частот	Погрешность, %	Коэффициент амплитуды	Входное сопротивление, МОм	Входная емкость, пФ
В3-40	10 мкВ - 300 В	5 Гц - 5 МГц	1,5-4,0 (45 Гц - 1 МГц); 15 (5 Гц - 45 Гц 1 МГц - 5 МГц)	-	2,5	30
В3-41	300 мкВ - 300 В	20 Гц - 10 МГц	2-4 (45 Гц - 1 МГц); 20 (20 Гц - 45 Гц 1 МГц - 10 МГц)	-	4	15-35
В3-42	30 мкВ - 300 В	10 Гц - 5 МГц	2,5-10,0 (45 Гц - 1 МГц); 15 (10 Гц - 45 Гц 1 МГц - 5 МГц)	5	2,5-5	15
В3-48	300 мкВ - 300 В	10 Гц - 50 МГц	2,5 (45 Гц - 10 МГц)		20	8
В3-50	10 мкВ - 300 В	5 Гц - 5 МГц	1,5-4,0 (45 Гц - 1 МГц); 2,5-15 (5 Гц - 5 МГц)	6	2,5	30
В3-52/1	1 мВ - 300 В	10 Гц - 1000 МГц	2-4 (100 кГц - 10 МГц)		0,03 (100 МГц)	10
В3-55	0,1 мВ - 300 В	20 Гц - 1 МГц	2,5-4,0	4	1	30

Таблица 2

Справочная таблица электрических параметров селективных вольтметров

Тип	Предел измерения	Диапазон частот	Погрешность, %	Диапазон напряжений	Полоса пропускания, кГц	Входное сопротивление, МОм	Входная емкость, пФ
В6-9	1 мкВ - 1 В	20 Гц - 200 кГц	±15	1-3 мкВ	-	1	70
			±10	3-10 мкВ
			±6	10 мкВ - 1 В
В6-10	1 мкВ - 1 В	100 кГц - 30 МГц	±15	1-3 мкВ	1; 9	2	10
			±10	10 мкВ - 1 В

Таблица 3

Справочная таблица электрических параметров генераторов шума

Тип	Диапазон частот, Гц	Диапазон напряжений	Погрешность, %	Входное сопротивление, Ом
Г2-37	15-6,5·10	3-1·10 мкВ	4	50, 60

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