電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用研究

王署光

（河南省洛陽(yáng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，471000）

電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用研究

王署光

（河南省洛陽(yáng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，471000）

載流子微觀運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電器元器件出現(xiàn)低頻電噪聲，噪聲的大小能夠直接反應(yīng)電子元器件的生產(chǎn)質(zhì)量及可靠性。電子元器件生產(chǎn)廠家以及各地的研究所都對(duì)低頻電噪聲的測(cè)試技術(shù)十分關(guān)注。下文主要對(duì)電子元器件低頻點(diǎn)噪聲測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。

低頻電噪聲測(cè)試；偏置技術(shù)；低頻噪聲放大技術(shù)；數(shù)據(jù)采集技術(shù)；噪聲數(shù)據(jù)處理

電子元器件在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多種噪聲，根據(jù)噪聲頻域特性，電子器件噪聲可以分為白噪聲和有色噪聲兩種。白噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲兩種，有色噪聲主要有超高頻散粒噪聲、G-R噪聲等等幾種。按照產(chǎn)生機(jī)制，電子器件噪聲可以分為非平衡噪聲和平衡噪聲兩種，其中散粒噪聲、G-R噪聲等噪聲又屬于非平衡噪聲，熱噪聲則屬于平衡噪聲。電子元器件噪聲的大小反映著產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量及可靠性，因此相關(guān)生產(chǎn)及研究人員都十分重視電子元器件的噪聲測(cè)試問(wèn)題，隨著噪聲研究的不斷深入，電子元器件噪聲測(cè)試方法越來(lái)越多，也更加精確、便捷。本文主要討論電子元器件噪聲測(cè)試中的數(shù)據(jù)采集技術(shù)、低頻噪聲放大技術(shù)、偏置技術(shù)以及噪聲數(shù)據(jù)處理。

1　電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)概述

1912年洛倫茲在研究電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)開(kāi)始研究應(yīng)用電子元器件及電子系統(tǒng)的內(nèi)在噪聲測(cè)試問(wèn)題，隨后各國(guó)研究人員先后發(fā)現(xiàn)熱噪聲、散粒噪聲、1/f噪聲等等噪聲，并開(kāi)始研究噪聲的機(jī)理、測(cè)試方法。早期噪聲測(cè)試主要通過(guò)模擬測(cè)試的方法進(jìn)行，濾波器、低噪聲放大器、檢波器、被測(cè)器件、檢波器等等儀器設(shè)備共同組成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)能夠完成電子器件特定頻帶的噪聲測(cè)試。但這種測(cè)試方法存在著許多的不足，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展?，F(xiàn)階段噪聲測(cè)試技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，已經(jīng)能夠同時(shí)進(jìn)行噪聲的頻域及時(shí)域測(cè)試，下文主要就現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的低頻噪聲測(cè)試技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單概述。

2　電子元器件噪聲測(cè)試方法及其應(yīng)用

2.1噪聲測(cè)試偏置技術(shù)。對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行外圍匹配設(shè)計(jì)，通過(guò)偏置源使被測(cè)器件始終處于特定的測(cè)試狀態(tài)，然后將被測(cè)信號(hào)輸出的方法即噪聲偏置。實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中需要保證偏置電路的噪聲性能以及負(fù)載和響應(yīng)能力。設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)，一般情況下不會(huì)使用有源的電子元器件。此外，偏置電路在工作過(guò)程中自身也可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，設(shè)計(jì)人員需要在保證不影響噪聲測(cè)量精準(zhǔn)度的同時(shí)對(duì)偏置電路進(jìn)行旁路及濾波處理，被測(cè)元器件不同，偏置電路會(huì)存在一定的差別，目前來(lái)說(shuō)主要有交流偏置和直流偏置兩種技術(shù)。

1）直流偏置技術(shù)

噪聲測(cè)試的基本方法即直流偏置。實(shí)際的操作過(guò)程中，首先將電子元器件置于恒定穩(wěn)態(tài)的條件之下，然后在元器件上施加一個(gè)直流的工作電壓，同時(shí)放大并測(cè)試輸出端口信號(hào)。二端電阻器件進(jìn)行直流偏置測(cè)試時(shí)，偏置電路如圖1所示。

圖1　二端電阻器件直流偏置電路圖

偏置電流I由偏置電路提供并控制，電流從A端流經(jīng)被測(cè)器件到達(dá)B端，在此過(guò)程中必須保證偏置電路提供的電流完全沒(méi)有噪聲或者噪聲極低，為了確保測(cè)試過(guò)程中負(fù)載調(diào)整率較低，偏置電路的響應(yīng)度應(yīng)較好。電流通過(guò)被測(cè)器件時(shí)，它的大小變化完全由器件控制，噪聲電壓E=ΔIR，其中ΔI指的是電流的漲落大小，R指的是被測(cè)器件的等效電阻，由于電流變化較小，因此噪聲電壓與器件總電壓相比就較小。為了保證測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度，在直流偏置技術(shù)中主要使用交流耦合技術(shù)對(duì)直流電壓進(jìn)行放大，具體操作即將耦合電容連接在被測(cè)器件的輸出段，耦合電容的主要功能是“隔直流通交流”，使用耦合電容能夠?qū)⒅绷鞣至扛綦x出來(lái)，以便于后級(jí)信號(hào)放大。

2）交流偏置技術(shù)

實(shí)際的工作過(guò)程中還有可能需要研究電子元器件在交流偏置情況下的噪聲特性，此時(shí)就需要使用交流偏置技術(shù)。交流偏置電流需要經(jīng)過(guò)放大器才能夠輸出，一般情況下交流信號(hào)比電子元器件的噪聲信號(hào)要大，可能會(huì)導(dǎo)致交流偏置與噪聲難以區(qū)分的問(wèn)題，因此需要消除交流偏置影響，通常情況下可以使用橋式電路以及鎖相測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。交流偏置鎖相測(cè)試技術(shù)在背景噪聲及熱噪聲的消除中十分有效，但這種測(cè)試方法必須在電橋完全平衡的條件下進(jìn)行，這實(shí)際上比較難實(shí)現(xiàn)。只有在樣品的噪聲特別低的情況下才可能考慮使用這種方法進(jìn)行噪聲測(cè)試。

2.2低頻噪聲放大技術(shù)。電子元器件中的噪聲信號(hào)一般都比較微弱，為了保證噪聲測(cè)試的精準(zhǔn)度，實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中需要盡可能降低測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲同時(shí)將電子元器件的噪聲進(jìn)行放大處理，是測(cè)試結(jié)果更加清楚的顯示出來(lái)。目前來(lái)說(shuō)，常用的低噪聲放大技術(shù)主要有兩種，即雙通道互譜測(cè)試技術(shù)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)低噪聲處理技術(shù)。

雙通道互譜測(cè)試技術(shù)是在單通道測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，電子元器件噪聲信號(hào)與測(cè)試系統(tǒng)之間的噪聲信號(hào)具有非相關(guān)性特點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)性計(jì)算的方法能夠消除測(cè)試系統(tǒng)噪聲信號(hào)對(duì)于電子元器件噪聲信號(hào)的影響，從而實(shí)現(xiàn)降低測(cè)試系統(tǒng)背景噪聲的目的。使用雙通道互譜測(cè)試技術(shù)不需要改變放大器本身的噪聲就能夠降低放大噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，但在實(shí)際的使用過(guò)程中需要配置兩個(gè)測(cè)試放大器以及對(duì)應(yīng)的頻譜分析設(shè)備，且兩個(gè)測(cè)試放大器必須完全獨(dú)立，頻譜分析設(shè)備應(yīng)具備互譜測(cè)量的功能，一定程度上限制了該種測(cè)試技術(shù)的普及。

正是由于雙通道互譜測(cè)試技術(shù)存在著一些局限性，行業(yè)內(nèi)研究人員開(kāi)始對(duì)單通道測(cè)試環(huán)境下放大器低噪聲化技術(shù)進(jìn)行探討分析，逐漸形成了SR570、PARC113等技術(shù)方法，總體來(lái)說(shuō)SR570、PARC113方法下，電子元器件的噪聲水平已經(jīng)較低，目前應(yīng)用比較廣泛，但在納米器件、低噪聲二極管等等電子元器件的低頻噪聲測(cè)試中還存在一些問(wèn)題，難以滿足測(cè)試精準(zhǔn)度要求，因此，部分研究人員提出了一種建立在并聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的噪聲測(cè)試方法，這種技術(shù)方法之下，放大器的背景噪聲得到了明顯的降低，但這種方法也存在一定的局限性，實(shí)際的使用過(guò)程中可能會(huì)增加電流噪聲，且增加量與并聯(lián)的總數(shù)有一定的相關(guān)性關(guān)系，因此只有測(cè)試低阻抗樣品的噪聲時(shí)才能夠使用這種測(cè)試方法。

2.3數(shù)據(jù)采集技術(shù)。噪聲數(shù)據(jù)的采集是電子元器件低頻噪聲測(cè)試中的重要工作，基于A/D 轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一種速度較快、效率較高、實(shí)時(shí)性良好的數(shù)據(jù)采集技術(shù)。下文描述的DMA 雙緩沖技術(shù)以及數(shù)據(jù)采樣技術(shù)都是在Labview 軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的雙緩沖操作主要在數(shù)據(jù)通過(guò)集卡寫(xiě)入循環(huán)緩沖時(shí)進(jìn)行，數(shù)據(jù)的寫(xiě)入在采集卡自循環(huán)緩沖第二部分時(shí)進(jìn)行，第一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被上傳到計(jì)算機(jī)的內(nèi)傳輸緩沖之中，然后用戶會(huì)根據(jù)具體的程序需求處理數(shù)據(jù)，循環(huán)緩沖進(jìn)行到第二部分時(shí)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)滿之后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)回第一部分繼續(xù)寫(xiě)，原始數(shù)據(jù)會(huì)被覆蓋，此時(shí)第二部分的數(shù)據(jù)可以繼續(xù)向計(jì)算機(jī)內(nèi)傳輸，這種情況下，就能夠保證用戶可以得到連續(xù)的數(shù)據(jù)流，這種數(shù)據(jù)采集方法之下，采集到的低頻噪聲數(shù)據(jù)都是連續(xù)的，但是數(shù)據(jù)的傳輸速度會(huì)受到影響，尤其是在數(shù)據(jù)量較大的情況下。

2.4噪聲數(shù)據(jù)處理技術(shù)

電子元器件的低頻電噪聲信號(hào)采集完成之后，還需要對(duì)其進(jìn)行分析處理，噪聲處理過(guò)程中首先需要對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，然后才能夠在對(duì)應(yīng)的頻域范圍內(nèi)研究其特性。

3　結(jié)束語(yǔ)

噪聲測(cè)試對(duì)于電子元器件的生產(chǎn)及應(yīng)用十分重要，本文主要從噪聲測(cè)試偏置技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、低噪聲化放大技術(shù)以及噪聲數(shù)據(jù)處理幾個(gè)方面就常見(jiàn)的電子元器件噪聲測(cè)試方法進(jìn)行了探討，僅為相關(guān)技術(shù)研究以應(yīng)用人員的工作提供參考。

［1］黃麗燕.電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用分析［J］.電子技術(shù)與軟件工程.2016（06）

［2］劉娟，白琳.電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用分析［J］.通訊世界.2015（06）

［3］陳文豪.電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用研究［D］.西安電子科技大學(xué).2012（06）

Test technology and Application Research of low frequency electrical noise of electronic components

Wang Shuguang
（Luoyang Economic School of Henan Province，471000）

The micro motion of carriers can lead to low frequency electrical noise，and the size of the noise can directly reflect the quality and reliability of the electronic components.Manufacturers of electronic components and all of the Research Institute of the low frequency electrical noise test technology is very concerned about.Below the main electronic components of low frequency noise test technology and its application to carry on the simple discussion.

low frequency electrical noise test；bias technique；low frequency noise amplification technology；data acquisition technology； noise data processing