电子器件散粒噪声的测试方法

2017-06-02王予峰

电子技术与软件工程 2017年10期

随着社会的进步和科技的发展，电子器件在生活中越发普及，第二次工业革命使人类社会正式进入了电气时代，第三次工业革命使人类社会进入了信息时代，现代社会生活中所用到的各类电子器件，几乎都是两个时代共同作用下的产物，虽然科技在持续进步，但电子器件依然存在各种问题，散粒噪声是其中相对较为普遍的一个，本文从散粒噪声的相关知识出发，浅析散粒噪声的测试方法。

【关键词】电子器件散粒噪声相关知识测试方法

目前社会生活中所使用的电子器件多种多样，从基本的日常生活到高新技术领域几乎都可以觅得电子器件的身影，基于电子器件应用的广泛性和普遍性，对其相关技术也提出了更高的要求，散粒噪声是目前多种电子器件使用时存在的问题，一般会随着电流的强度变化，对通信质量等造成不良影响，为了使电子器件更好的服务于生活，对散粒噪声的测试是十分必要的。

1 散粒噪声的相关知识简介

1.1 什么是散粒噪声

散粒噪声也被称为散弹噪声，是一种由于电子发射的不均匀性引起的噪声，通常出现在一些通信设备的有源器件中。根据相关文献记载，散粒噪声最早在1918年已经被发现，技术人员进行了各种分析，得出了一些有利于改进的经验，不过就目前的科技条件而言，散粒噪声依然是很难完全避免的。

1.2 散粒噪声产生的原理

简单的说，散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，目前来看，社会生活中所使用的大多数半导体器件，包括计算机、电话、手机以及前些年广泛流行的收音机等，噪声的主要来源都是散粒噪声。在高频情况下，散粒噪声谱变得与频率有关。而在低频和中频下，频率不会影响到散粒噪聲。

1.3 散粒噪声的不良影响

鉴于散粒噪声存在的普遍性，它直接影响着日常生活，包括通信质量等，存在于电话中的散粒噪声会影响通话质量，存在于计算机中的散粒噪声也会对计算机的正常工作造成不良影响，尽管这种影响一般情况下并不会特别大，但对于一些较为重要的领域或者追求高质量生活的人群来说，就是不可接受的了。不过，在电化学的相关研究中，当电流流过被测体系时，如果被测体系的局部平衡仍没有被破坏，此时散粒噪声是可以忽略不计的。

2 电子器件散粒噪声的测试方法

2.1 利用频谱分析仪进行噪声分析

频谱分析仪一种多用途的电子测量仪器，主要是研究电信号频谱结构，用于信号调制度、谱纯度、失真度、频率稳定度和交调失真等相关测量，可以用于测量放大器和滤波器等电路系统的某些参数。

频谱记录仪使用方便、科学性较好，但是价格较为昂贵，而且操作比较复杂。

2.2 使用超导量子干涉磁强计和偏置桥电路进行测试

在测试中，将超导量子干涉磁强计和偏置桥电路放置在温度较低的环境中，在用于测量电子器件的散粒噪声时，偏置桥电路可以将被测电阻产生的电流噪声转换为电磁信号，同时为被测电阻提供测试所需的偏置电流，通过以上设置可以消除超导量子干涉磁强计输入电流产生的直流电流的分量。具体操作时，通过偏置桥电路，将电阻产生的电流波动转化为电磁信号，之后再利用超导量子干涉磁强计的接收设备对电磁信号进行接收合放大，从而获得测试结果。

3 散粒噪声测试的一些条件

3.1 温度和偏置条件

电子器件的热噪声和散粒噪声均会被以白噪声的形式表现出来，通常不通过专业设备难以有效分辨，本质上讲，热噪声是一种平衡噪声，受温度影响，温度升高往往热噪声就会变大，同时，热噪声不会受到偏置的影响，而散粒噪声与温度的关系并不是直接的，但却会受到偏置的直接影响。新的研究表明，散粒噪声相关研究不必再在非常低的温度下进行，一般而言，通过抑制热噪声，就可以捕捉到散粒噪声。

3.2 设备的专业性

包括频谱分析仪等在内，设备的好坏和精度会对测试结果产生一定的影响，通常来说，温度升高会使散粒噪声变得不容易被捕捉，而在较低的温度条件下散粒噪声会清晰许多，但需要注意的是，很多仪器在温度较低的环境里会产生一定程度的误差，使测试结果变得不精确，因此，在温度环境不能随意变更的情况下，需要尽可能采用较为优质的设备进行测试和相关的记录。

4 对电子器件散粒噪声测试时需要注意的问题

4.1 温度相对要较低

鉴于热噪声的影响，测试时的温度应该处于较低的水平中，具体温度可以结合实验室实际情况而定。热噪声和散粒噪声都属于白噪声，分辨起来有一定难度，二者受到不同环境影响也会有不同的强弱变现，通常来说，较低的温度可以有效降低热噪声的影响，而热噪声的影响越低，往往散粒噪声的捕捉和测试就会越简单和科学。

4.2 保障设备的专业性

设备不可避免会出现热胀冷缩等一系列物理现象，或者本身出现故障，这都会对实验结果造成影响，为求尽量避免这种情况，对设备的要求必须严格，包括各种仪器在不同温度条件下出现的误差值、其本身测量精度等，尽可能保障测试结果的准确性和科学性。

4.3 尽量降低系统噪声

系统噪声来源于测试设备，包括放大器背景、偏置元件和偏置电源等，必须控制总噪声低于散粒噪声至少一个量级，这又要求独立的噪声源要低于散粒噪声至少2-3个量级，否则对散粒噪声的捕捉和测试都会造成很大困扰。

5 降低散粒噪声的有效方法

5.1 使用低噪声材料

一般来说，各种电子器件所需要的材料不止一种，比如银和铝在某些设备中可以通用，而铜、钨的使用也十分广泛，有鉴于此，可以通过不断的实验寻求一种噪声较低的材料用于电子器件的制造。

5.2 改良制造工艺

目前的电子器件制造工艺已经趋于成熟，但不意味着没有改进的空间，技术人员可以在目前工艺的基础上，尽可能的进行改良，将散粒噪声的影响降到最低。