电子元器件低频电噪声测试技术及实践

鄂尔多斯理工学校 内蒙古 鄂尔多斯 017000

前言

近年来,随着制造业水平提升,对电子元器件的应用也越来越广泛,而在判断元器件缺陷、问题时,最主要的依据就是元器件发出的低频电噪声,研究噪声测试技术,可找出元器件内部缺陷,有利于完善元器件缺陷,提升设备运行质量。因此噪声测试技术研究十分必要。

一、电子元器件低频电噪声类型

从噪声频域特征上来看,可以分为有色噪声及白噪声,有色噪声指的是元器件噪声功率谱幅度值随着测试频率变化而发生改变的噪声,主要有If噪声、G-R噪声、RTS噪声以及超高频散粒噪声。白噪声则指的是器件噪声功率谱密度在相对宽带频率的范围内维持不变,即噪声幅度值不会因频率变化而变动,在功率谱密度图内呈现出水平或接近水平的置线,主要包含热噪声及散粒噪声。

根据噪声产生的机理进行分类,可分为平衡噪声以及非平衡噪声。平衡噪声指的是电子器件在无偏置的情况下,电子自发随机运动而引起的噪声,主要的平衡噪声为热噪声。非平衡噪声是电子器件在发生偏置的情况下出现的噪声,由于内部电荷运输受物理过程印象,此类噪声就是非平衡噪声,如果消除了偏置条件,就会使噪声消失。常见的非平衡噪声有If噪声、G-R噪声、RTS噪声以及散粒噪声。

根据噪声的产生机制进行分类,可将I/f噪声分为基本噪声及非基本噪声。划分的依据为:在电子元器件中存在内部缺陷,如空间电荷去、氧化层及导电沟道等不畏的缺陷,会导致元器件载流子运输出现随机性。就会引起元器件输运载流子变动,诱发噪声。在元器件制造、应用的过程中提升元器件质量,可以有效抑制噪声的出现,甚至是避免了噪声的产生,因此被称为非基本噪声。此外,因电子元器件内部出现散射引发的元器件载流子或是迁移率变化也会出现I/f噪声[1]。

二、电子元器件低频电噪声测试技术应用

(一)电子元器件低频电噪声测试技术

1.偏执技术。偏执技术包括交流偏执技术、直流偏置技术、低噪声偏置技术三种技术。低噪声偏执技术有某些特定要求限制,限制在偏置源发出噪声比较小,但是电子元器件发出噪声比较大的情况下,可以应用此技术开展噪声测试。测试人员要在测试前准备好镍氢电池组,以备需要输出较高的电压时组成串联,将电池组连接到一起。应用该技术己行噪声测试时,要将低通滤波配合进行,以降低电源噪声,避免其影响电子元器件噪声测试结果精度。

2.放大技术。即应用双通道互谱技术、扩频测试技术对噪声进行放大处理再加以研究。在应用扩频测试技术的过程中,如果电子元器件具有比较高的电阻,噪声就很难被人察觉,就会增加测试难度。这时就应该把电流放大器与电压放大器并联起来,将微弱、难以察觉、难以拾取的电流噪声放大,提升测试精准度及效率。

3.数据采集技术。数据采集技术包含DMA双缓冲技术和数据流盘技术。DMA双缓冲测试技术又可分为总线主控DMA技术与双缓冲技术。在采集和收集数据时,相关人员可以将采集而来的数据放入D2K-LVIEW库中,提取噪声发出的数据,此后将采集到的数据传输至测试系统内部,然后进行有效地噪声处理,并获得最后的噪声处理结果。

(二)噪声测试技术的应用

1.噪声测试系统设计。以测试上述几种电子元器件低频噪声测试技术的效果为目的,检测能否检测出噪声。本文以电阻器的噪声为例,对元器件的噪声开展测试。设计的噪声测试系统分为设备、系统两个部分。系统部分包括虚拟仪器技术,可以使用图形化操作界面,完善噪声测试过程中的控制效果。硬件方面则包括低噪声适配器、放大器、计算机及电源四个部分。通过软件及硬件的配合,实现控制后,系统自动生产噪声的频谱。通过频谱图及参数记算,得出噪声测试的准确结果。

2.元器件低频电噪声测试。电阻器包含薄膜与厚膜两种类型电阻器,以提升噪声测试结果的精准度为目的,本文选取了不同类的几种电阻器作为测试样本,开展低频电噪声测试。其中厚膜电阻器选用10Ω、100Ω、10kΩ、20kΩ等,薄膜电阻器则应用20kΩ、100kΩ、500kΩ和1MΩ四种类型。在准备好各类电阻器后,测试人员在列出的不同型号的电阻器中各选出两个样本,分别进行测试,每个电阻器测试五次,共计1100次,统计结果,计算五次测试的平均值,取结果的平均值[2]。

3.噪声测试结果。通过分析测试结果,获得以下几组数据:首先通过电阻值为20kΩ的样品可以看出,相同的电阻值,薄膜电阻噪声指数平均值为37.5分贝,厚膜电阻的噪声指数均值为12.4分贝;当样品的电阻值为1MΩ时,相同的电阻值,薄膜电阻的噪声指数均值为22.2分贝,厚膜电阻的噪声指数均值为12.2分贝。另一部分样品,测试电阻值为29kΩ的电阻器,电阻相同时,薄膜电阻的噪声指数均值为37.9分贝,厚膜电阻测试结果均值为12.4分贝;选用1MΩ的样品电阻器,当电阻数值一样时,薄膜电阻噪声指数均值为22.6分贝,厚膜电阻的均值为13.2分贝。通过两组样品的对比可以看出,不同的电阻值,薄膜电阻、厚膜电阻噪声指数会有所变化,电阻值相同时,厚膜电阻及薄膜电阻的噪声指数存在差异。

4.噪声测试结论。通过分析、对比测试结果可以看出,电阻的噪声指数于电阻是数值有明确管理,相同类型的电阻随着电阻值的变化,噪声指数也会有所波动,这一变化与电阻值的变化成正比关系。当薄膜电阻与厚膜电阻的电阻数值相同时,薄膜电阻的噪声指数往往会低于厚膜电阻。结合多种噪声测试技术开发出的电子元器件低频电噪声测试技术,能够有效、精准的测试出元器件的噪声指数,在应用元器件的生产制造领域中,具有很高的利用价值,值得推广及应用。