基于電子元器件低頻噪聲特性和相關測試技術

黃保斐

（青海高等職業技術學院，青海海東，810799）

1 關于電子元器件低頻噪聲的相關測試技術

1.1 低噪聲放大技術

對于電子元器件在進行低頻噪聲測試中，先對電子元器件產生的低頻噪聲進行放大，可優選雙通道互譜測試技術、并聯結構低噪聲技術，放大低噪噪聲。

（1）基于雙通道的互譜測試技術

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

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

（2）并聯結構低噪聲技術

基于并聯結構基礎，降低放大器背景噪聲，在應用過程中，并聯總數以及增加量之間，還存在著一定的相關性。假定在電子元器件內，其各個器件工作中產生的電流噪聲是相當的，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 采樣數據

針對電子元器件開展低頻噪聲測試過程中，需基于 A/D轉換技術，才可以實時、快速采集到器件的噪聲數據，確保數據精確度。故此能夠在Labview 軟件平臺中，應用數據采樣與 DMA 雙緩沖技術。根據雙緩沖技術，通過采集卡將電器元器件數據寫入到循環緩沖區，并進行數據雙緩沖操作，在采集卡緩沖第二部分被寫入數據后，可將第一部分的數據傳輸到計算機緩沖區中；當第二部分循環緩沖區被寫滿后，其數據將會轉回第一部分緩沖區并覆蓋原來在第一部分緩沖區中的數據信息，用戶可以得到連續性數據流。

1.3 處理噪聲數據

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

2 優化實現電子元器件低頻噪聲相關測試

2.1 系統總體結構

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，應該確保低頻噪聲測試系統可以具備高度的輸入靈敏度。在本次的低頻造成測試系統中，將會采用由偏置器、適配器、低噪聲前置放大器以及數據采集卡、計算機組成的系統。如下圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 硬件設計

（1）偏置電路設計

在偏置電路中設有一個雙向開關，其作用是當開關與3接通時，可以通過電流表讀出工作電流，然后調節滑動變阻器阻值使電流達到預定值，本實驗在工作電流為1mA的條件下進行測量。電流調好后，讓開關與1接通，繼續進行接下來的噪聲提取工作。電路如圖2所示。

圖2 電路圖

（2）數據采集卡

選擇了DAQ2010數據采集卡，實現信號實時、快速、準確的采集；在計算頻譜時以FFT為核心的改進周期圖法，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系列的數據采集卡，不僅具有高精度量化優勢，且采樣率較低，可確保在進行低頻噪聲監測中，使硬件中AD量化的精度可以達到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行測試,可采用DAQ2010型的數據采集卡,確保最大采樣速率達到2MS/s，兼顧滿足1/f噪聲、散粒測試標準。

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,其采樣率能夠達到200MS/s,量化精度為12bit。

2.3 算法設計

采取雙通道互譜噪聲測試技術，可以利用兩個隨機產生的噪聲信號之間存在的非相關性,然后通過計算其相關性，從而消除該隨機噪聲信號對低頻噪聲測試結果精度的影響,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，若是自身產生的噪聲之間沒有相關性,則能夠采用互相關的方法來抑制噪聲[2]。

針對電子元器件，其噪聲的功率譜密度中，應用γ表示頻率指數因子，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；對于電子元器件產生的不同噪聲分量，其所表征的參數也往往有著不同的意義。

（1）統計噪聲：可以自動統計分析對成批電子元器件噪聲頻度的分布狀況，并根據得出的統計分布特征量，將其作為篩選低頻噪聲的判據。該方法在進行雙極晶體管、基準二極管以及MOSFET等電子元器件低頻噪聲測試中，發揮良好的測試作用。

（2）噪聲報警：在進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，而分別為其設置相應的噪聲篩選、判斷標準，若在電子元器件中經檢測發現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二極管的可靠性，發揮積極應用價值。

2.4 仿真測試

針對基準二極管、三端穩壓器、雙極晶體管、MOSFET以及運算放大器等電子元器件進行低頻噪聲測試，應用Labview 軟件作為平臺，根據系統的軟件流程開發出一套電子元器件的低頻噪聲特性分析系統，電腦終端直接與數據采集卡連接，對采集的數據進行分析。

在實際仿真中，針對電子元器件，測試其噪聲參數，對比得出結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

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。如圖3就是NMOS管的實測噪聲信號，頻譜及其擬合曲線，擬合結果如下：

圖3 （a）時間序列，（b）頻譜及其擬合曲線

根據仿真電子元器件低頻噪聲測試結果中能夠看出：該電子元器件中，1/f低頻噪聲幅度是1.7466e-008，白噪聲幅度達到0，電子元器件頻率指數因子為1.1407。同時，本篇設計的電子元器件低頻噪聲測試技術，可以準確提取電子器件低頻噪聲各個參量，提升檢測準確性，發揮積極應用價值。

3 展望

針對電子元器件生產中，針對電子元器件的低頻噪聲問題，可以通過加強生產工藝控制、篩選來控制，但是，在實際生產中，針對測試電子元器件低頻噪聲方面，可優化應用測試技術，對電子元器件器件的設計以及生產工藝進行知道監管。可以在電子元器件生產過程中，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部因素，針對其實際存在的缺陷危險，優化設計工藝；針對潛在與電子元器件中存有的本征缺陷，可以優化低頻噪聲監測質量，并可克服在傳統進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廠商來說尤為重要，促進其提升生產效益。

4 結論

針對電子元器件低頻電噪聲檢測之中，以上研究結果表明，通過利用雙通道互譜估計法,通過增加通道數目且按步驟進行測量,可以消除測量放大器的背景噪聲對測量結果的影響，能夠更進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果準確性，發揮積極應用價值。