王署光

（河南省洛陽經(jīng)濟學(xué)校，471000）

電子元器件低頻電噪聲測試技術(shù)及應(yīng)用研究

王署光

（河南省洛陽經(jīng)濟學(xué)校，471000）

載流子微觀運動會導(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低頻電噪聲的測試技術(shù)十分關(guān)注。下文主要對電子元器件低頻點噪聲測試技術(shù)及其應(yīng)用進行簡單的探討。

低頻電噪聲測試；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程中會產(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試問題，隨著噪聲研究的不斷深入，電子元器件噪聲測試方法越來越多，也更加精確、便捷。本文主要討論電子元器件噪聲測試中的數(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試技術(shù)概述

1912年洛倫茲在研究電子隨機運動時開始研究應(yīng)用電子元器件及電子系統(tǒng)的內(nèi)在噪聲測試問題，隨后各國研究人員先后發(fā)現(xiàn)熱噪聲、散粒噪聲、1/f噪聲等等噪聲，并開始研究噪聲的機理、測試方法。早期噪聲測試主要通過模擬測試的方法進行，濾波器、低噪聲放大器、檢波器、被測器件、檢波器等等儀器設(shè)備共同組成一個測試系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能夠完成電子器件特定頻帶的噪聲測試。但這種測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)階段噪聲測試技術(shù)已經(jīng)有了很大的進步，已經(jīng)能夠同時進行噪聲的頻域及時域測試，下文主要就現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的低頻噪聲測試技術(shù)進行簡單概述。

2　電子元器件噪聲測試方法及其應(yīng)用

2.1噪聲測試偏置技術(shù)。對被測器件進行外圍匹配設(shè)計，通過偏置源使被測器件始終處于特定的測試狀態(tài)，然后將被測信號輸出的方法即噪聲偏置。實際的應(yīng)用過程中需要保證偏置電路的噪聲性能以及負載和響應(yīng)能力。設(shè)計偏置電路時，一般情況下不會使用有源的電子元器件。此外，偏置電路在工作過程中自身也可能會產(chǎn)生噪聲，設(shè)計人員需要在保證不影響噪聲測量精準(zhǔn)度的同時對偏置電路進行旁路及濾波處理，被測元器件不同，偏置電路會存在一定的差別，目前來說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)

噪聲測試的基本方法即直流偏置。實際的操作過程中，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直流的工作電壓，同時放大并測試輸出端口信號。二端電阻器件進行直流偏置測試時，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)被測器件到達B端，在此過程中必須保證偏置電路提供的電流完全沒有噪聲或者噪聲極低，為了確保測試過程中負載調(diào)整率較低，偏置電路的響應(yīng)度應(yīng)較好。電流通過被測器件時，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)對直流電壓進行放大，具體操作即將耦合電容連接在被測器件的輸出段，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，以便于后級信號放大。

2）交流偏置技術(shù)

實際的工作過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，此時就需要使用交流偏置技術(shù)。交流偏置電流需要經(jīng)過放大器才能夠輸出，一般情況下交流信號比電子元器件的噪聲信號要大，可能會導(dǎo)致交流偏置與噪聲難以區(qū)分的問題，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試技術(shù)實現(xiàn)這一目標(biāo)。交流偏置鎖相測試技術(shù)在背景噪聲及熱噪聲的消除中十分有效，但這種測試方法必須在電橋完全平衡的條件下進行，這實際上比較難實現(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行噪聲測試。

2.2低頻噪聲放大技術(shù)。電子元器件中的噪聲信號一般都比較微弱，為了保證噪聲測試的精準(zhǔn)度，實際的測試過程中需要盡可能降低測試系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲同時將電子元器件的噪聲進行放大處理，是測試結(jié)果更加清楚的顯示出來。目前來說，常用的低噪聲放大技術(shù)主要有兩種，即雙通道互譜測試技術(shù)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)低噪聲處理技術(shù)。

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

正是由于雙通道互譜測試技術(shù)存在著一些局限性，行業(yè)內(nèi)研究人員開始對單通道測試環(huán)境下放大器低噪聲化技術(shù)進行探討分析，逐漸形成了SR570、PARC113等技術(shù)方法，總體來說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試中還存在一些問題，難以滿足測試精準(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，實際的使用過程中可能會增加電流噪聲，且增加量與并聯(lián)的總數(shù)有一定的相關(guān)性關(guān)系，因此只有測試低阻抗樣品的噪聲時才能夠使用這種測試方法。

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、實時性良好的數(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 軟件平臺上實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)的雙緩沖操作主要在數(shù)據(jù)通過集卡寫入循環(huán)緩沖時進行，數(shù)據(jù)的寫入在采集卡自循環(huán)緩沖第二部分時進行，第一部分數(shù)據(jù)可以被上傳到計算機的內(nèi)傳輸緩沖之中，然后用戶會根據(jù)具體的程序需求處理數(shù)據(jù)，循環(huán)緩沖進行到第二部分時，數(shù)據(jù)被寫滿之后，會自動轉(zhuǎn)回第一部分繼續(xù)寫，原始數(shù)據(jù)會被覆蓋，此時第二部分的數(shù)據(jù)可以繼續(xù)向計算機內(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采集完成之后，還需要對其進行分析處理，噪聲處理過程中首先需要對其進行傅里葉變換，然后才能夠在對應(yīng)的頻域范圍內(nèi)研究其特性。

3　結(jié)束語

噪聲測試對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)處理幾個方面就常見的電子元器件噪聲測試方法進行了探討，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