電子元器件低頻電噪聲測試技術(shù)及應(yīng)用研究

陳苗 楊雪

引言

電子元器件在實際中的應(yīng)用會產(chǎn)生或多或少的噪聲，以噪聲頻域特性作為依據(jù)，能夠?qū)㈦娮悠骷肼晞澐殖砂自肼暸c有色噪聲；以產(chǎn)生機制作為依據(jù)對電子器件噪聲進行劃分，能夠?qū)⑵浞殖善胶庠肼暭胺瞧胶庠肼昜1]。噪聲大小也體現(xiàn)著產(chǎn)品的性能和運行可靠性，所以當前電子元器件噪聲測試方面問題受到了相關(guān)領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。當前電子元器件噪聲測試方面所采用方法越來越豐富，測試結(jié)果也更加精準。

一、電子元器件低頻電噪聲測試技術(shù)概述

早在1912年，洛倫茲在開展電子隨機運動研究的同時，也進行了電子元器件和電子系統(tǒng)噪聲測試方面的探究。在這之后，世界各國研究領(lǐng)域人員相繼探索和發(fā)現(xiàn)了熱噪聲、散粒噪聲等多種類型噪聲，同時也開展了對噪聲機理及測試方法的深入探索。在最初階段開展的噪聲測試工作，通常會加強模擬測試方式的應(yīng)用，在實踐工作中所使用的測試系統(tǒng)包括檢波器、濾波器等多個組成部分，在該系統(tǒng)的支持下可以高效地開展電子器件指定頻帶噪聲測試工作。然而從實際情況來看，該測試方法在許多方面都存在比較明顯的缺陷。伴隨著科技的發(fā)展和進步，當前的噪聲測試技術(shù)已經(jīng)得到了很大程度的優(yōu)化，在實踐工作中能夠同時開展噪聲頻域測試與時域測試，技術(shù)更具先進性與可靠性。

二、電子元器件噪聲測試技術(shù)及實踐應(yīng)用

（一）噪聲測試偏置技術(shù)

圍繞目標測試器件展開相應(yīng)的外圍匹配設(shè)計，利用偏置源促使被測器件保持適宜的測試狀態(tài)，之后對被測信號進行輸出，該方法也就是所謂的噪聲偏置。在實踐工作中的應(yīng)用應(yīng)確保偏置電路噪聲性能，并且其應(yīng)該擁有足夠的負載及響應(yīng)能力。在進行偏置電路設(shè)計過程中，通常不會應(yīng)用有源電子元器件。另外，偏置電路在運行期間同樣會產(chǎn)生或多或少的噪聲，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)確保在不對噪聲測量精準性產(chǎn)生影響的情況下，做好偏置電路旁路和濾波處理工作[2]。在實際工作中測試所針對的元器件不同，那么偏置電路同樣會產(chǎn)生相應(yīng)差異。

現(xiàn)階段的噪聲測試偏置技術(shù)通常能夠劃分成交流偏置與直流偏置。

交流偏置。電子元器件噪聲測試方法在實際應(yīng)用中，通常要求探索電子元器件基于交流偏置情況所產(chǎn)生噪聲特點，針對此種情況，就應(yīng)該加強交流偏置技術(shù)的應(yīng)用。針對交流偏置電流而言，其一般需要基于放大器才可以實現(xiàn)輸出。通常來說，和電子元器件噪聲進行對比，交流信號所產(chǎn)生噪聲要相對較大，這便容易導(dǎo)致實際中無法精準區(qū)分交流偏置和噪聲。所以，應(yīng)采取針對性措施來盡可能消除交流偏置影響，一般來說通過合理應(yīng)用橋式電路和鎖相測試技術(shù)便能夠達到該目標。交流偏置鎖相測試技術(shù)能夠在背景噪聲和熱噪聲的消除方面發(fā)揮非常重要的作用，然而對于該測試方法的應(yīng)用，需要確保電橋處于充分平衡狀態(tài)，而要想達到高效果是比較困難的。所以通常僅在樣品噪聲非常低的條件下才會分析是否需要應(yīng)用該方法開展噪聲測試工作。

直流偏置。其屬于噪聲測試的一個基礎(chǔ)性方法。在實踐測試工作中，需要相關(guān)操作人員把電子元器件放置到恒定穩(wěn)態(tài)環(huán)境中，之后針對元器件添加相應(yīng)的直流工作電壓，并且對其進行放大處理，做好輸出端口信號測試工作。在實際開展直流偏置測試過程中，其中的偏置電流主要是由偏置電路產(chǎn)生，同時其也擁有偏置電路控制功能。測試中，電流會從其中一端通過被測器達到另一端，在此期間應(yīng)確保偏置電路所供應(yīng)電流并不會產(chǎn)生噪聲或所產(chǎn)生噪聲非常低。同時，為保證測試期間負載調(diào)整率相對較低，還應(yīng)保證偏置電路響應(yīng)度情況比較良好。在被測器件有電流通過過程中，電流的大小情況也會受器件的直接性影響。如果通過實際測試能夠發(fā)現(xiàn)電流變化相對較小，便說明噪聲電壓和器件總電壓相比相對較小。為確保最終測試結(jié)果的可靠性和準確性，在直流偏置技術(shù)應(yīng)用過程中還會加強交流耦合技術(shù)的使用，促使直流電壓得到進一步放大，實踐操作中，需要把耦合電容和目標測試器件的輸出段進行連接，耦合電容的功能和作用主要表現(xiàn)為隔直流和通交流，所以在耦合電容的支持下，可以實現(xiàn)直流分量的有效隔離，從而為后續(xù)的信號放大奠定基礎(chǔ)。

（二）低頻噪聲放大技術(shù)

對于電子元器件所產(chǎn)生的噪聲信號來說，其通常相對微弱，為確保噪聲測試的精準性與可靠性，在具體的測試工作中不僅應(yīng)最大程度控制測試系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲，還應(yīng)采取相應(yīng)措施將電子元器件噪聲放大，這樣才有利于進一步提高最終測試結(jié)果的清晰性。就現(xiàn)階段總體來看，應(yīng)用比較常見的低噪聲放大技術(shù)主要包括雙通道互譜測試與并聯(lián)結(jié)構(gòu)低噪聲處理[3]。其中前者是在后者不斷優(yōu)化的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，從客觀角度來看，電子元器件噪聲信號和測試系統(tǒng)兩者的噪聲信號之間呈現(xiàn)出了比較明顯的非相關(guān)性特征，在實際操作過程中利用相關(guān)性計算方法，通常可以有效規(guī)避測試系統(tǒng)噪聲信號給電子元器件噪聲信號帶來的影響，這樣便能夠達到測試系統(tǒng)背景噪聲降低效果。通過對雙通道互譜測試技術(shù)的應(yīng)用，無需對放大器自身噪聲作出任何調(diào)整，便可以很大程度減小放大噪聲對最終測試結(jié)果造成的影響，然而在具體操作和使用期間，還應(yīng)做好測試放大器和相應(yīng)頻譜分析設(shè)備的配置工作，其中測試放大器的數(shù)量為2，并且應(yīng)保持兩個測試放大器之間的獨立性。頻譜分析設(shè)備應(yīng)該可以在互譜測量方面發(fā)揮作用，這些條件都會對該測試技術(shù)的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生限制。

因為雙通道互譜測試技術(shù)的實際應(yīng)用在一些方面存在缺陷，所以相關(guān)領(lǐng)域研究人員便圍繞單通道測試環(huán)境中放大器低噪聲化技術(shù)展開了更為深入的研究和探索，進而開發(fā)了一些新的技術(shù)方法，包括SR570、PARC113等，通過對這些方法的應(yīng)用，能夠很大程度降低電子元器件噪聲，在現(xiàn)階段的應(yīng)用比較常見[4]。然而這些方法在低噪聲二極管、納米器件的測試方面的應(yīng)用仍存在不足，針對這些電子元器件展開的低頻噪聲測試工作，無法為最終測試結(jié)果的精準性提供保障。針對此種情況，一些研究人員積極探索將并聯(lián)結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)的噪聲測試方法，通過對該技術(shù)手段的應(yīng)用，可以使放大器背景噪聲很大程度降低，然而該方法在充分發(fā)揮優(yōu)勢的同時，同樣也會存在相應(yīng)不足，在實踐工作中的應(yīng)用容易導(dǎo)致電流噪聲增加，同時此方面的增加量和并聯(lián)總數(shù)之間存在相關(guān)性，所以在開展低阻抗樣品噪聲測試過程中該方法才具有適用性。

（三）數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在實際開展電子元器件低頻噪聲測試工作過程中，噪聲數(shù)據(jù)采集是其中非常關(guān)鍵的一項工作內(nèi)容，在A/D轉(zhuǎn)換前提下，數(shù)據(jù)采集技術(shù)在速度、效率及實時性等方面都具有非常顯著的優(yōu)勢。在Labview軟件平臺支持下，進行了DMA雙緩沖技術(shù)和數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的開發(fā)。其中前者在實際操作中需要在數(shù)據(jù)通過集卡寫入循環(huán)緩沖時實施雙緩沖操作，其中的一些數(shù)據(jù)能夠上傳到計算機內(nèi)傳輸緩沖中，之后用戶會結(jié)合實際程序需求情況來進行數(shù)據(jù)的處理，循環(huán)緩沖在達到第二部分的情況下，數(shù)據(jù)寫滿時，便會自動化進行轉(zhuǎn)回，從而在第一部分接著寫，在這樣的情況下，會將原始數(shù)據(jù)覆蓋，并且在此過程中第二部分數(shù)據(jù)能夠接著向計算機進行傳輸，這樣便可以確保用戶所獲取數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，實踐工作中通過對該數(shù)據(jù)采集方法的應(yīng)用，所采集的所有低頻噪聲數(shù)據(jù)都具有連續(xù)性，然而這也會給數(shù)據(jù)傳輸速度產(chǎn)生相應(yīng)影響，特別是在數(shù)據(jù)量較大時，數(shù)據(jù)傳輸速度會嚴重降低。

（四）噪聲數(shù)據(jù)處理技術(shù)

上述各環(huán)節(jié)工作結(jié)束后，便可以獲取比較完善的電子元器件低頻電噪聲信號，在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)對噪聲信號展開更為深入的分析，同時制定合理可行的處理措施，最終進行總結(jié)。針對所收集的電噪聲信號，通過傅里葉變化后，基于相應(yīng)頻域范圍對其特性進行分析和研究。例如針對RTS噪聲，圍繞所收集的相關(guān)數(shù)據(jù)開展提取工作，并做出相應(yīng)分析：傳統(tǒng)模式下針對RTS噪聲開展分析工作，所采取方式為RTS信號中的一段，在此基礎(chǔ)上合理分析高低電流對應(yīng)時間及幅度，在實際操作中如果涉及測量精度分析方面的工作，還應(yīng)該采用手工方式來進行多段數(shù)據(jù)分析均值的提取。通過對此種方式的應(yīng)用，最終的運算點數(shù)具有較高價值，同時最終獲取的分析結(jié)果和低頻擾動之間存在著密切聯(lián)系。所以在數(shù)字濾波基礎(chǔ)上的噪聲方法，在進行數(shù)據(jù)處理時，差分處理會給低頻擾動帶來相應(yīng)影響，導(dǎo)致低頻擾動被消除，針對此種情況，采用大量數(shù)據(jù)擬合方式，有利于使其精度進一步提高，并且還可以采用相應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計方式，實現(xiàn)高低電流段中高頻干擾及低頻干擾的有效消除。

（五）測試技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計。實踐工作中為確保測試技術(shù)應(yīng)用效果，還應(yīng)該展開專門測試工作。對于此方面的測試，最終目的是對測試噪聲有效性作出精準性評估[5]。實際操作過程中，將電阻器視為實驗的針對目標。對測試系統(tǒng)進行相應(yīng)劃分，主要能夠?qū)⑵浞殖捎布蛙浖?。測試操作進行時，軟件的基礎(chǔ)性功能就是利用虛擬儀器提高對測試過程的控制效果。硬件在測試中的應(yīng)用，需要對電壓進行相應(yīng)調(diào)整，促使其發(fā)生改變，這樣便能夠?qū)τ布m應(yīng)范圍及閾值大小進行精準性測試，測試工作中所使用的硬件包括放大器、計算機等，在測試工作完成之后，噪聲頻譜便會自動體現(xiàn)在虛擬儀器上，然后采用相應(yīng)計算方式便可以獲取最終結(jié)果。

噪聲測試。在實際測試操作進行中，電阻器通常會作為實驗主要對象，電阻器主要有薄膜與厚膜兩種類型。對于當前的電子元器件來說，薄膜電阻器與厚膜電阻器的應(yīng)用都比較常見。為確保最終所獲取測試結(jié)果的精準性與可靠性，在實際操作過程中還應(yīng)將兩種類型電阻器共同設(shè)置成實驗樣本，促使其在實驗過程中的作用和價值得到充分發(fā)揮。需要對薄膜電阻器與厚膜電阻器分別進行多種電阻大小的選擇。在此基礎(chǔ)上，參與試驗的人員還應(yīng)對變量控制給予足夠重視，有針對性地做好變量控制，實踐操作中應(yīng)使用兩臺儀器，并且反復(fù)進行評測，通常來說應(yīng)將評測次數(shù)控制為五次，最終進行計算來獲取平均值，將其作為最終的實驗結(jié)果進行使用，得出相應(yīng)結(jié)論。

測試結(jié)論。在測試工作完成之后，從多角度出發(fā)進行分析，最終得出以下結(jié)論：第一，電阻器噪聲的產(chǎn)生和電阻之間存在著密不可分的聯(lián)系，在電阻相對較大的情況下，其所產(chǎn)生噪聲指數(shù)同樣相對較大，兩者表現(xiàn)為正比關(guān)系；第二，將薄膜電阻和厚膜電阻之間進行相應(yīng)對比，基于電阻同等條件，薄膜電阻產(chǎn)生的噪音要相對較小，而厚膜電阻噪聲要明顯更多；第三，在實際開展電子元器件低頻電噪聲測試工作過程中，偏置技術(shù)、放大技術(shù)等都有自身的優(yōu)勢和缺陷，實踐工作中應(yīng)確保這些技術(shù)選擇的靈活性和針對性，促使技術(shù)的作用得到充分發(fā)揮，通過獲取更具精準性與可靠性的測試結(jié)果，為實際的生產(chǎn)生活提供重要指導(dǎo)。為實現(xiàn)對電子元器件低頻噪聲的高效控制，還可以實現(xiàn)上述幾種技術(shù)的綜合應(yīng)用，并且還應(yīng)該重視對先進技術(shù)的開發(fā)，從整體上提高技術(shù)應(yīng)用水平。

結(jié)束語

綜上所述，針對電子元器件而言，低頻噪聲測試技術(shù)在其中的應(yīng)用具有必要性，在促進我國電子元器件生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)展方面表現(xiàn)出積極意義，并且提高噪聲控制效果，還能夠為我國電子元器件制造行業(yè)的發(fā)展提供支持，根據(jù)對先進測試技術(shù)的應(yīng)用獲取電子元器件噪聲結(jié)果，可以對電子元器件相關(guān)問題展開深入洞察及分析，提高電子元器件缺點的檢測率。就現(xiàn)階段來看，電子元器件在我國各行業(yè)、各領(lǐng)域中的應(yīng)用程度越來越高，加強電子元器件質(zhì)量檢測具有必要性。所以，應(yīng)積極加強低頻噪聲測試技術(shù)在實際測試工作中的滲透，為電子元器件性能優(yōu)化提供支持。