電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及實(shí)踐

鄂爾多斯理工學(xué)校 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000

前言

近年來,隨著制造業(yè)水平提升,對(duì)電子元器件的應(yīng)用也越來越廣泛,而在判斷元器件缺陷、問題時(shí),最主要的依據(jù)就是元器件發(fā)出的低頻電噪聲,研究噪聲測(cè)試技術(shù),可找出元器件內(nèi)部缺陷,有利于完善元器件缺陷,提升設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。因此噪聲測(cè)試技術(shù)研究十分必要。

一、電子元器件低頻電噪聲類型

從噪聲頻域特征上來看,可以分為有色噪聲及白噪聲,有色噪聲指的是元器件噪聲功率譜幅度值隨著測(cè)試頻率變化而發(fā)生改變的噪聲,主要有If噪聲、G-R噪聲、RTS噪聲以及超高頻散粒噪聲。白噪聲則指的是器件噪聲功率譜密度在相對(duì)寬帶頻率的范圍內(nèi)維持不變,即噪聲幅度值不會(huì)因頻率變化而變動(dòng),在功率譜密度圖內(nèi)呈現(xiàn)出水平或接近水平的置線,主要包含熱噪聲及散粒噪聲。

根據(jù)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分類,可分為平衡噪聲以及非平衡噪聲。平衡噪聲指的是電子器件在無偏置的情況下,電子自發(fā)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而引起的噪聲,主要的平衡噪聲為熱噪聲。非平衡噪聲是電子器件在發(fā)生偏置的情況下出現(xiàn)的噪聲,由于內(nèi)部電荷運(yùn)輸受物理過程印象,此類噪聲就是非平衡噪聲,如果消除了偏置條件,就會(huì)使噪聲消失。常見的非平衡噪聲有If噪聲、G-R噪聲、RTS噪聲以及散粒噪聲。

根據(jù)噪聲的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分類,可將I/f噪聲分為基本噪聲及非基本噪聲。劃分的依據(jù)為:在電子元器件中存在內(nèi)部缺陷,如空間電荷去、氧化層及導(dǎo)電溝道等不畏的缺陷,會(huì)導(dǎo)致元器件載流子運(yùn)輸出現(xiàn)隨機(jī)性。就會(huì)引起元器件輸運(yùn)載流子變動(dòng),誘發(fā)噪聲。在元器件制造、應(yīng)用的過程中提升元器件質(zhì)量,可以有效抑制噪聲的出現(xiàn),甚至是避免了噪聲的產(chǎn)生,因此被稱為非基本噪聲。此外,因電子元器件內(nèi)部出現(xiàn)散射引發(fā)的元器件載流子或是遷移率變化也會(huì)出現(xiàn)I/f噪聲[1]。

二、電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)應(yīng)用

(一)電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)

1.偏執(zhí)技術(shù)。偏執(zhí)技術(shù)包括交流偏執(zhí)技術(shù)、直流偏置技術(shù)、低噪聲偏置技術(shù)三種技術(shù)。低噪聲偏執(zhí)技術(shù)有某些特定要求限制,限制在偏置源發(fā)出噪聲比較小,但是電子元器件發(fā)出噪聲比較大的情況下,可以應(yīng)用此技術(shù)開展噪聲測(cè)試。測(cè)試人員要在測(cè)試前準(zhǔn)備好鎳氫電池組,以備需要輸出較高的電壓時(shí)組成串聯(lián),將電池組連接到一起。應(yīng)用該技術(shù)己行噪聲測(cè)試時(shí),要將低通濾波配合進(jìn)行,以降低電源噪聲,避免其影響電子元器件噪聲測(cè)試結(jié)果精度。

2.放大技術(shù)。即應(yīng)用雙通道互譜技術(shù)、擴(kuò)頻測(cè)試技術(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行放大處理再加以研究。在應(yīng)用擴(kuò)頻測(cè)試技術(shù)的過程中,如果電子元器件具有比較高的電阻,噪聲就很難被人察覺,就會(huì)增加測(cè)試難度。這時(shí)就應(yīng)該把電流放大器與電壓放大器并聯(lián)起來,將微弱、難以察覺、難以拾取的電流噪聲放大,提升測(cè)試精準(zhǔn)度及效率。

3.數(shù)據(jù)采集技術(shù)。數(shù)據(jù)采集技術(shù)包含DMA雙緩沖技術(shù)和數(shù)據(jù)流盤技術(shù)。DMA雙緩沖測(cè)試技術(shù)又可分為總線主控DMA技術(shù)與雙緩沖技術(shù)。在采集和收集數(shù)據(jù)時(shí),相關(guān)人員可以將采集而來的數(shù)據(jù)放入D2K-LVIEW庫(kù)中,提取噪聲發(fā)出的數(shù)據(jù),此后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部,然后進(jìn)行有效地噪聲處理,并獲得最后的噪聲處理結(jié)果。

(二)噪聲測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用

1.噪聲測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以測(cè)試上述幾種電子元器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)的效果為目的,檢測(cè)能否檢測(cè)出噪聲。本文以電阻器的噪聲為例,對(duì)元器件的噪聲開展測(cè)試。設(shè)計(jì)的噪聲測(cè)試系統(tǒng)分為設(shè)備、系統(tǒng)兩個(gè)部分。系統(tǒng)部分包括虛擬儀器技術(shù),可以使用圖形化操作界面,完善噪聲測(cè)試過程中的控制效果。硬件方面則包括低噪聲適配器、放大器、計(jì)算機(jī)及電源四個(gè)部分。通過軟件及硬件的配合,實(shí)現(xiàn)控制后,系統(tǒng)自動(dòng)生產(chǎn)噪聲的頻譜。通過頻譜圖及參數(shù)記算,得出噪聲測(cè)試的準(zhǔn)確結(jié)果。

2.元器件低頻電噪聲測(cè)試。電阻器包含薄膜與厚膜兩種類型電阻器,以提升噪聲測(cè)試結(jié)果的精準(zhǔn)度為目的,本文選取了不同類的幾種電阻器作為測(cè)試樣本,開展低頻電噪聲測(cè)試。其中厚膜電阻器選用10Ω、100Ω、10kΩ、20kΩ等,薄膜電阻器則應(yīng)用20kΩ、100kΩ、500kΩ和1MΩ四種類型。在準(zhǔn)備好各類電阻器后,測(cè)試人員在列出的不同型號(hào)的電阻器中各選出兩個(gè)樣本,分別進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)電阻器測(cè)試五次,共計(jì)1100次,統(tǒng)計(jì)結(jié)果,計(jì)算五次測(cè)試的平均值,取結(jié)果的平均值[2]。

3.噪聲測(cè)試結(jié)果。通過分析測(cè)試結(jié)果,獲得以下幾組數(shù)據(jù):首先通過電阻值為20kΩ的樣品可以看出,相同的電阻值,薄膜電阻噪聲指數(shù)平均值為37.5分貝,厚膜電阻的噪聲指數(shù)均值為12.4分貝;當(dāng)樣品的電阻值為1MΩ時(shí),相同的電阻值,薄膜電阻的噪聲指數(shù)均值為22.2分貝,厚膜電阻的噪聲指數(shù)均值為12.2分貝。另一部分樣品,測(cè)試電阻值為29kΩ的電阻器,電阻相同時(shí),薄膜電阻的噪聲指數(shù)均值為37.9分貝,厚膜電阻測(cè)試結(jié)果均值為12.4分貝;選用1MΩ的樣品電阻器,當(dāng)電阻數(shù)值一樣時(shí),薄膜電阻噪聲指數(shù)均值為22.6分貝,厚膜電阻的均值為13.2分貝。通過兩組樣品的對(duì)比可以看出,不同的電阻值,薄膜電阻、厚膜電阻噪聲指數(shù)會(huì)有所變化,電阻值相同時(shí),厚膜電阻及薄膜電阻的噪聲指數(shù)存在差異。

4.噪聲測(cè)試結(jié)論。通過分析、對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以看出,電阻的噪聲指數(shù)于電阻是數(shù)值有明確管理,相同類型的電阻隨著電阻值的變化,噪聲指數(shù)也會(huì)有所波動(dòng),這一變化與電阻值的變化成正比關(guān)系。當(dāng)薄膜電阻與厚膜電阻的電阻數(shù)值相同時(shí),薄膜電阻的噪聲指數(shù)往往會(huì)低于厚膜電阻。結(jié)合多種噪聲測(cè)試技術(shù)開發(fā)出的電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù),能夠有效、精準(zhǔn)的測(cè)試出元器件的噪聲指數(shù),在應(yīng)用元器件的生產(chǎn)制造領(lǐng)域中,具有很高的利用價(jià)值,值得推廣及應(yīng)用。