是德科技实现对磁性传感器的噪声测量-Keysight.PDF

是德科技 实现对磁性传感器的 噪声测量 应用指南 引言 磁性传感器广泛应用于需要高灵敏度的场景，如脑功能映射、磁场异常探测、磁性定向和矿产勘查。磁性传 感器的灵敏度可以通过信噪比表示，其中信号是指增益信号，噪声则指传感器的固有噪声。传感器制造商必 须表征和跟踪传感器固有的 1/f 噪声，这个关键的参数通常以 nT/ √Hz 表征。近年来出现了一种新型磁性传 感器，与标准磁阻传感器相比，它具有更高的灵敏度，并给噪声测量带来了新的挑战。多种噪声源可能破坏 测量结果，其中包括环境磁场噪声，电源噪声，以及信号调理电路的附加噪声。隧道磁电阻（TMR ）传感器 与霍尔效应、各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）等同类技术2 相比，具备更高的分辨率和更低的 功耗，体积更小。由于噪声测量硬件和软件的创新，因此可以对 TMR 传感器的低噪声电平进行精确测量。 03 | 是德科技 | 实现对磁性传感器的噪声测量——应用指南 磁性传感器的噪声测量——简介 通常情况下，磁性传感器工程师会将噪声表征为与施加的磁场相关。如图 1 所示，磁场通过亥 姆霍兹线圈控制。但需格外小心，避免磁场环境产生噪音。 图 1. 控制单轴磁场的亥姆霍兹线圈。1 然后使用源测量单元（SMU），如是德科技B1500A ，来施加偏置并测量电阻。SMU 噪声必须 过滤掉，以便只测量电阻的变化。电阻噪声以电流噪声的形式表现，使用负载电阻转化为电压 噪声，并由超低噪声电压放大器放大。所得电压噪声采用高速数字转换器（digitizer）予以分析。 如图 2 所示，是德科技E4727A 先进低频噪声分析仪（A-LFNA）具备以上所有功能，结合 A-LFNA 的软件，可以实现强大且精确的磁性传感器噪声测量方案。 源测量单元 磁电阻传感器 电阻负载 E4727A 输出模块 电压放大 器射频 低通滤波器 电流放大器 放大器 数字转换器 图 2. 捕获以电阻变化形式出现的电压噪声，然后将其数字化。 04 | 是德科技 | 实现对磁性传感器的噪声测量——应用指南 低噪声放大器支持高灵敏度测量 如图 2 所示，放大器放大低电平噪声信号，以便数字转换器准确地表述谱密度，从而捕捉磁 性传感器的噪声密度。由于放大器的噪声直接增加了被测器件的噪声，这种附加放大器噪声 成为了影响灵敏度的关键指标。上一代 1/f 噪声测量系统的放大器因自身噪声水平，无法执行 准确的磁性传感器测量。新一代 E4727A 配有必威体育精装版研发的放大器，具有-183 dBV2/Hz 本底噪 声（相当于一个28 Ω电阻的噪声）以及低至 20 Hz 的拐角频率（表 1 ）。因此能对磁性传感 器噪声进行精准的表征。图 3 给出了必威体育精装版 E4727A 中低噪声放大器的附加电压噪声。与其前身 E4725A 相比， E4727A 具有更低的噪声密度，其测量灵敏度居于业界领先地位。 E4725A E4727A 本底噪声 –177 dBV 2/Hz –183 dBV 2/Hz 1.4 nV/√Hz 0.67 nV/√Hz 拐角频率 10 kHz 20 Hz 表 1. 必威体育精装版 E4727A 测量系统与前身 E4725A 的低噪声放大器性能比较 先进低频噪声分析仪(A-LFNA) 系统的低噪声放大器噪声 3 10 E4727A