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電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用研究
河南省洛陽(yáng)經(jīng)濟(jì)學(xué)校 王署光 2016/10/7 10:40:49
摘要：載流子微觀運(yùn)動(dòng)會(huì)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(duì)低頻電噪聲的測(cè)試技術(shù)十分關(guān)注。下文主要對(duì)電子元器件低頻點(diǎn)噪聲測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的探討。
關(guān)鍵詞：低頻電噪聲測(cè)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(guò)程中會(huì)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(jī)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(cè)試問(wèn)題，隨著噪聲研究的不斷深入，電子元器件噪聲測(cè)試方法越來(lái)越多，也更加精確、便捷。本文主要討論電子元器件噪聲測(cè)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。
一、電子元器件低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)概述
1912年洛倫茲在研究電子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(cè)試問(wèn)題，隨后各國(guó)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(jī)理、測(cè)試方法。早期噪聲測(cè)試主要通過(guò)模擬測(cè)試的方法進(jìn)行，濾波器、低噪聲放大器、檢波器、被測(cè)器件、檢波器等等儀器設(shè)備共同組成一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)能夠完成電子器件特定頻帶的噪聲測(cè)試。但這種測(cè)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(cè)試技術(shù)已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，已經(jīng)能夠同時(shí)進(jìn)行噪聲的頻域及時(shí)域測(cè)試，下文主要就現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的低頻噪聲測(cè)試技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單概述。
二、電子元器件噪聲測(cè)試方法及其應(yīng)用
（一）噪聲測(cè)試偏置技術(shù)
對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行外圍匹配設(shè)計(jì)，通過(guò)偏置源使被測(cè)器件始終處于特定的測(cè)試狀態(tài)，然后將被測(cè)信號(hào)輸出的方法即噪聲偏置。實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中需要保證偏置電路的噪聲性能以及負(fù)載和響應(yīng)能力。設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)，一般情況下不會(huì)使用有源的電子元器件。此外，偏置電路在工作過(guò)程中自身也可能會(huì)產(chǎn)生噪聲，設(shè)計(jì)人員需要在保證不影響噪聲測(cè)量精準(zhǔn)度的同時(shí)對(duì)偏置電路進(jìn)行旁路及濾波處理，被測(cè)元器件不同，偏置電路會(huì)存在一定的差別，目前來(lái)說(shuō)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(cè)試的基本方法即直流偏置。實(shí)際的操作過(guò)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(gè)直流的工作電壓，同時(shí)放大并測(cè)試輸出端口信號(hào)。二端電阻器件進(jìn)行直流偏置測(cè)試時(shí)，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(cè)器件到達(dá)B端，在此過(guò)程中必須保證偏置電路提供的電流完全沒(méi)有噪聲或者噪聲極低，為了確保測(cè)試過(guò)程中負(fù)載調(diào)整率較低，偏置電路的響應(yīng)度應(yīng)較好。電流通過(guò)被測(cè)器件時(shí)，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(cè)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(cè)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(duì)直流電壓進(jìn)行放大，具體操作即將耦合電容連接在被測(cè)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(lái)，以便于后級(jí)信號(hào)放大。
2、交流偏置技術(shù)
實(shí)際的工作過(guò)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(shí)就需要使用交流偏置技術(shù)。交流偏置電流需要經(jīng)過(guò)放大器才能夠輸出，一般情況下交流信號(hào)比電子元器件的噪聲信號(hào)要大，可能會(huì)導(dǎo)致交流偏置與噪聲難以區(qū)分的問(wèn)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(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。交流偏置鎖相測(cè)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(cè)試方法必須在電橋完全平衡的條件下進(jìn)行，這實(shí)際上比較難實(shí)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(jìn)行噪聲測(cè)試。
（二）低頻噪聲放大技術(shù)
電子元器件中的噪聲信號(hào)一般都比較微弱，為了保證噪聲測(cè)試的精準(zhǔn)度，實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中需要盡可能降低測(cè)試系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲同時(shí)將電子元器件的噪聲進(jìn)行放大處理，是測(cè)試結(jié)果更加清楚的顯示出來(lái)。目前來(lái)說(shuō)，常用的低噪聲放大技術(shù)主要有兩種，即雙通道互譜測(cè)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(cè)試技術(shù)是在單通道測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，電子元器件噪聲信號(hào)與測(cè)試系統(tǒng)之間的噪聲信號(hào)具有非相關(guān)性特點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)性計(jì)算的方法能夠消除（未完，下一頁(yè)）
附件下載：圖1 二端電阻器件直流偏置電路圖
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