基于電子元器件低頻噪聲特性和相關(guān)測試技術(shù)

黃保斐

（青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海海東，810799）

1 關(guān)于電子元器件低頻噪聲的相關(guān)測試技術(shù)

1.1 低噪聲放大技術(shù)

對于電子元器件在進(jìn)行低頻噪聲測試中，先對電子元器件產(chǎn)生的低頻噪聲進(jìn)行放大，可優(yōu)選雙通道互譜測試技術(shù)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)低噪聲技術(shù)，放大低噪噪聲。

（1）基于雙通道的互譜測試技術(shù)

在測試電子元器件低頻噪聲中，可應(yīng)用雙通道的互譜測試技術(shù)，該技術(shù)具備單通道測試優(yōu)點，基于電子元器件產(chǎn)生的兩個隨機(jī)噪聲信號，計算噪聲信號相互間存在的非相關(guān)性，以此消除測試結(jié)果中隨機(jī)噪聲信號的影響，進(jìn)而減低在低頻噪聲測試之中存在的背景噪聲。在進(jìn)行實際的低頻造成測試中，假定電子元器件隨機(jī)信號為函數(shù)Rx、Ry，則存在于兩者函數(shù)間的相關(guān)性就是：

在實際應(yīng)用互譜測試電子元器件低頻噪聲中，其應(yīng)用優(yōu)勢在于能夠基于不改變放大器噪聲的前提下，而是借助關(guān)于噪聲的非相關(guān)性原理，從而有效抑制放大器噪聲對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，可提高測試電子元器件低頻噪聲的精確度。

（2）并聯(lián)結(jié)構(gòu)低噪聲技術(shù)

基于并聯(lián)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，降低放大器背景噪聲，在應(yīng)用過程中，并聯(lián)總數(shù)以及增加量之間，還存在著一定的相關(guān)性。假定在電子元器件內(nèi)，其各個器件工作中產(chǎn)生的電流噪聲是相當(dāng)?shù)?，則在放大電路中，低頻噪聲增加量，就是單個電流的噪聲[1]。

1.2 采樣數(shù)據(jù)

針對電子元器件開展低頻噪聲測試過程中，需基于 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，才可以實時、快速采集到器件的噪聲數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)精確度。故此能夠在Labview 軟件平臺中，應(yīng)用數(shù)據(jù)采樣與 DMA 雙緩沖技術(shù)。根據(jù)雙緩沖技術(shù)，通過采集卡將電器元器件數(shù)據(jù)寫入到循環(huán)緩沖區(qū)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)雙緩沖操作，在采集卡緩沖第二部分被寫入數(shù)據(jù)后，可將第一部分的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)緩沖區(qū)中；當(dāng)?shù)诙糠盅h(huán)緩沖區(qū)被寫滿后，其數(shù)據(jù)將會轉(zhuǎn)回第一部分緩沖區(qū)并覆蓋原來在第一部分緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)信息，用戶可以得到連續(xù)性數(shù)據(jù)流。

1.3 處理噪聲數(shù)據(jù)

在得到電子元器件低頻電噪聲信號后，分析總結(jié)噪聲信號。可以針對所采集電子元器件的噪聲信號，對信號進(jìn)行傅里葉變換，并在與信號相對應(yīng)頻域范圍之中開展造成特性研究。在噪聲信號數(shù)據(jù)的處理過程中，針對噪聲低頻擾動，則會被差分處理消除掉，之后，再通過擬合大量數(shù)據(jù)信號，可提高噪聲處理精度。

2 優(yōu)化實現(xiàn)電子元器件低頻噪聲相關(guān)測試

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電子器件的低頻噪聲較為微弱，在單位帶寬中若是噪聲電壓低到10nV，噪聲電流則可低至1pA。因此，在測試電子元器件低頻噪聲中，應(yīng)該確保低頻噪聲測試系統(tǒng)可以具備高度的輸入靈敏度。在本次的低頻造成測試系統(tǒng)中，將會采用由偏置器、適配器、低噪聲前置放大器以及數(shù)據(jù)采集卡、計算機(jī)組成的系統(tǒng)。如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件設(shè)計

（1）偏置電路設(shè)計

在偏置電路中設(shè)有一個雙向開關(guān)，其作用是當(dāng)開關(guān)與3接通時，可以通過電流表讀出工作電流，然后調(diào)節(jié)滑動變阻器阻值使電流達(dá)到預(yù)定值，本實驗在工作電流為1mA的條件下進(jìn)行測量。電流調(diào)好后，讓開關(guān)與1接通，繼續(xù)進(jìn)行接下來的噪聲提取工作。電路如圖2所示。

圖2 電路圖

（2）數(shù)據(jù)采集卡

選擇了DAQ2010數(shù)據(jù)采集卡，實現(xiàn)信號實時、快速、準(zhǔn)確的采集；在計算頻譜時以FFT為核心的改進(jìn)周期圖法，這滿足信號一致估計的條件。同時，對于實際采集卡選擇中，需遵循以下規(guī)則：

①在測試電子元器件低頻噪聲中，針對其中存在的低頻1/f噪聲及G-R噪聲，可用PCI-622X系列的數(shù)據(jù)采集卡，不僅具有高精度量化優(yōu)勢，且采樣率較低，可確保在進(jìn)行低頻噪聲監(jiān)測中，使硬件中AD量化的精度可以達(dá)到16bit,其最大的采樣率保持在250kS/s。

②對電子元器件中頻1/f噪聲以及散粒噪聲進(jìn)行測試,可采用DAQ2010型的數(shù)據(jù)采集卡,確保最大采樣速率達(dá)到2MS/s，兼顧滿足1/f噪聲、散粒測試標(biāo)準(zhǔn)。

③針對電子元器件中具備更高頻率低頻造成測試之中,則可采用高速PCI-5124采集卡,其采樣率能夠達(dá)到200MS/s,量化精度為12bit。

2.3 算法設(shè)計

采取雙通道互譜噪聲測試技術(shù)，可以利用兩個隨機(jī)產(chǎn)生的噪聲信號之間存在的非相關(guān)性,然后通過計算其相關(guān)性，從而消除該隨機(jī)噪聲信號對低頻噪聲測試結(jié)果精度的影響,減低在測試電子元器件低頻噪聲中的背景噪聲。針對電子元器件低頻噪聲測試中，若是自身產(chǎn)生的噪聲之間沒有相關(guān)性,則能夠采用互相關(guān)的方法來抑制噪聲[2]。

針對電子元器件，其噪聲的功率譜密度中，應(yīng)用γ表示頻率指數(shù)因子，白A表示白噪聲幅度，B表示1/f噪聲的幅度，C表示g-r噪聲幅度；對于電子元器件產(chǎn)生的不同噪聲分量，其所表征的參數(shù)也往往有著不同的意義。

（1）統(tǒng)計噪聲：可以自動統(tǒng)計分析對成批電子元器件噪聲頻度的分布狀況，并根據(jù)得出的統(tǒng)計分布特征量，將其作為篩選低頻噪聲的判據(jù)。該方法在進(jìn)行雙極晶體管、基準(zhǔn)二極管以及MOSFET等電子元器件低頻噪聲測試中，發(fā)揮良好的測試作用。

（2）噪聲報警：在進(jìn)行電子元器件低頻噪聲測試之中，能夠針對不同的噪聲成分，而分別為其設(shè)置相應(yīng)的噪聲篩選、判斷標(biāo)準(zhǔn)，若在電子元器件中經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)某種噪聲的表征量超過了允許值范圍，則將會報警處理。對于該測試算法，較為適用于評估基準(zhǔn)二極管的可靠性，發(fā)揮積極應(yīng)用價值。

2.4 仿真測試

針對基準(zhǔn)二極管、三端穩(wěn)壓器、雙極晶體管、MOSFET以及運算放大器等電子元器件進(jìn)行低頻噪聲測試，應(yīng)用Labview 軟件作為平臺，根據(jù)系統(tǒng)的軟件流程開發(fā)出一套電子元器件的低頻噪聲特性分析系統(tǒng)，電腦終端直接與數(shù)據(jù)采集卡連接，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

在實際仿真中，針對電子元器件，測試其噪聲參數(shù)，對比得出結(jié)果表明其相對誤差是小于5%的。（見表1所示）。

表1 比較各個電子元器件的噪聲參數(shù)

可以從仿真得出噪聲頻譜中看出，能分離在電子元器件中存在的噪聲分量，還可精確得出其分量表征參數(shù)。如圖3就是NMOS管的實測噪聲信號，頻譜及其擬合曲線，擬合結(jié)果如下：

圖3 （a）時間序列，（b）頻譜及其擬合曲線

根據(jù)仿真電子元器件低頻噪聲測試結(jié)果中能夠看出：該電子元器件中，1/f低頻噪聲幅度是1.7466e-008，白噪聲幅度達(dá)到0，電子元器件頻率指數(shù)因子為1.1407。同時，本篇設(shè)計的電子元器件低頻噪聲測試技術(shù)，可以準(zhǔn)確提取電子器件低頻噪聲各個參量，提升檢測準(zhǔn)確性，發(fā)揮積極應(yīng)用價值。

3 展望

針對電子元器件生產(chǎn)中，針對電子元器件的低頻噪聲問題，可以通過加強(qiáng)生產(chǎn)工藝控制、篩選來控制，但是，在實際生產(chǎn)中，針對測試電子元器件低頻噪聲方面，可優(yōu)化應(yīng)用測試技術(shù)，對電子元器件器件的設(shè)計以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行知道監(jiān)管?？梢栽陔娮釉骷a(chǎn)過程中，通過檢測電子元器件是否存在低頻噪聲，從而可以找出可以反映電子元器件缺陷的內(nèi)部因素，針對其實際存在的缺陷危險，優(yōu)化設(shè)計工藝；針對潛在與電子元器件中存有的本征缺陷，可以優(yōu)化低頻噪聲監(jiān)測質(zhì)量，并可克服在傳統(tǒng)進(jìn)行低頻噪聲檢測方法中的敏感度低弊端，更加全面的、無損的檢測電子元器件低頻電噪聲，這對電子元器件生產(chǎn)廠商來說尤為重要，促進(jìn)其提升生產(chǎn)效益。

4 結(jié)論

針對電子元器件低頻電噪聲檢測之中，以上研究結(jié)果表明，通過利用雙通道互譜估計法,通過增加通道數(shù)目且按步驟進(jìn)行測量,可以消除測量放大器的背景噪聲對測量結(jié)果的影響，能夠更進(jìn)一步提高低頻電噪聲的測試精度與水平，可以顯著降低背景噪聲,明顯提高低頻噪聲測量結(jié)果準(zhǔn)確性，發(fā)揮積極應(yīng)用價值。