基于电子元器件低频噪声特性和相关测试技术

2021-06-25黄保斐

电子测试 2021年4期

关键词：采集卡双通道元器件

黄保斐

（青海高等职业技术学院，青海海东，810799）

1 关于电子元器件低频噪声的相关测试技术

1.1 低噪声放大技术

对于电子元器件在进行低频噪声测试中，先对电子元器件产生的低频噪声进行放大，可优选双通道互谱测试技术、并联结构低噪声技术，放大低噪噪声。

（1）基于双通道的互谱测试技术

在测试电子元器件低频噪声中，可应用双通道的互谱测试技术，该技术具备单通道测试优点，基于电子元器件产生的两个随机噪声信号，计算噪声信号相互间存在的非相关性，以此消除测试结果中随机噪声信号的影响，进而减低在低频噪声测试之中存在的背景噪声。在进行实际的低频造成测试中，假定电子元器件随机信号为函数Rx、Ry，则存在于两者函数间的相关性就是：

在实际应用互谱测试电子元器件低频噪声中，其应用优势在于能够基于不改变放大器噪声的前提下，而是借助关于噪声的非相关性原理，从而有效抑制放大器噪声对测量结果产生的影响，可提高测试电子元器件低频噪声的精确度。

（2）并联结构低噪声技术

基于并联结构基础，降低放大器背景噪声，在应用过程中，并联总数以及增加量之间，还存在着一定的相关性。假定在电子元器件内，其各个器件工作中产生的电流噪声是相当的，则在放大电路中，低频噪声增加量，就是单个电流的噪声[1]。

1.2 采样数据

针对电子元器件开展低频噪声测试过程中，需基于 A/D转换技术，才可以实时、快速采集到器件的噪声数据，确保数据精确度。故此能够在Labview 软件平台中，应用数据采样与 DMA 双缓冲技术。根据双缓冲技术，通过采集卡将电器元器件数据写入到循环缓冲区，并进行数据双缓冲操作，在采集卡缓冲第二部分被写入数据后，可将第一部分的数据传输到计算机缓冲区中；当第二部分循环缓冲区被写满后，其数据将会转回第一部分缓冲区并覆盖原来在第一部分缓冲区中的数据信息，用户可以得到连续性数据流。

1.3 处理噪声数据

在得到电子元器件低频电噪声信号后，分析总结噪声信号。可以针对所采集电子元器件的噪声信号，对信号进行傅里叶变换，并在与信号相对应频域范围之中开展造成特性研究。在噪声信号数据的处理过程中，针对噪声低频扰动，则会被差分处理消除掉，之后，再通过拟合大量数据信号，可提高噪声处理精度。

2 优化实现电子元器件低频噪声相关测试

2.1 系统总体结构

电子器件的低频噪声较为微弱，在单位带宽中若是噪声电压低到10nV，噪声电流则可低至1pA。因此，在测试电子元器件低频噪声中，应该确保低频噪声测试系统可以具备高度的输入灵敏度。在本次的低频造成测试系统中，将会采用由偏置器、适配器、低噪声前置放大器以及数据采集卡、计算机组成的系统。如下图1所示。

图1 系统结构图

2.2 硬件设计

（1）偏置电路设计

在偏置电路中设有一个双向开关，其作用是当开关与3接通时，可以通过电流表读出工作电流，然后调节滑动变阻器阻值使电流达到预定值，本实验在工作电流为1mA的条件下进行测量。电流调好后，让开关与1接通，继续进行接下来的噪声提取工作。电路如图2所示。

图2 电路图

（2）数据采集卡

选择了DAQ2010数据采集卡，实现信号实时、快速、准确的采集；在计算频谱时以FFT为核心的改进周期图法，这满足信号一致估计的条件。同时，对于实际采集卡选择中，需遵循以下规则：

①在测试电子元器件低频噪声中，针对其中存在的低频1/f噪声及G-R噪声，可用PCI-622X系列的数据采集卡，不仅具有高精度量化优势，且采样率较低，可确保在进行低频噪声监测中，使硬件中AD量化的精度可以达到16bit,其最大的采样率保持在250kS/s。

②对电子元器件中频1/f噪声以及散粒噪声进行测试,可采用DAQ2010型的数据采集卡,确保最大采样速率达到2MS/s，兼顾满足1/f噪声、散粒测试标准。

③针对电子元器件中具备更高频率低频造成测试之中,则可采用高速PCI-5124采集卡,其采样率能够达到200MS/s,量化精度为12bit。

2.3 算法设计

采取双通道互谱噪声测试技术，可以利用两个随机产生的噪声信号之间存在的非相关性,然后通过计算其相关性，从而消除该随机噪声信号对低频噪声测试结果精度的影响,减低在测试电子元器件低频噪声中的背景噪声。针对电子元器件低频噪声测试中，若是自身产生的噪声之间没有相关性,则能够采用互相关的方法来抑制噪声[2]。

针对电子元器件，其噪声的功率谱密度中，应用γ表示频率指数因子，白A表示白噪声幅度，B表示1/f噪声的幅度，C表示g-r噪声幅度；对于电子元器件产生的不同噪声分量，其所表征的参数也往往有着不同的意义。

（1）统计噪声：可以自动统计分析对成批电子元器件噪声频度的分布状况，并根据得出的统计分布特征量，将其作为筛选低频噪声的判据。该方法在进行双极晶体管、基准二极管以及MOSFET等电子元器件低频噪声测试中，发挥良好的测试作用。

（2）噪声报警：在进行电子元器件低频噪声测试之中，能够针对不同的噪声成分，而分别为其设置相应的噪声筛选、判断标准，若在电子元器件中经检测发现某种噪声的表征量超过了允许值范围，则将会报警处理。对于该测试算法，较为适用于评估基准二极管的可靠性，发挥积极应用价值。

2.4 仿真测试

针对基准二极管、三端稳压器、双极晶体管、MOSFET以及运算放大器等电子元器件进行低频噪声测试，应用Labview 软件作为平台，根据系统的软件流程开发出一套电子元器件的低频噪声特性分析系统，电脑终端直接与数据采集卡连接，对采集的数据进行分析。

在实际仿真中，针对电子元器件，测试其噪声参数，对比得出结果表明其相对误差是小于5%的。（见表1所示）。

表1 比较各个电子元器件的噪声参数

可以从仿真得出噪声频谱中看出，能分离在电子元器件中存在的噪声分量，还可精确得出其分量表征参数。如图3就是NMOS管的实测噪声信号，频谱及其拟合曲线，拟合结果如下：

图3 （a）时间序列，（b）频谱及其拟合曲线

根据仿真电子元器件低频噪声测试结果中能够看出：该电子元器件中，1/f低频噪声幅度是1.7466e-008，白噪声幅度达到0，电子元器件频率指数因子为1.1407。同时，本篇设计的电子元器件低频噪声测试技术，可以准确提取电子器件低频噪声各个参量，提升检测准确性，发挥积极应用价值。

3 展望

针对电子元器件生产中，针对电子元器件的低频噪声问题，可以通过加强生产工艺控制、筛选来控制，但是，在实际生产中，针对测试电子元器件低频噪声方面，可优化应用测试技术，对电子元器件器件的设计以及生产工艺进行知道监管。可以在电子元器件生产过程中，通过检测电子元器件是否存在低频噪声，从而可以找出可以反映电子元器件缺陷的内部因素，针对其实际存在的缺陷危险，优化设计工艺；针对潜在与电子元器件中存有的本征缺陷，可以优化低频噪声监测质量，并可克服在传统进行低频噪声检测方法中的敏感度低弊端，更加全面的、无损的检测电子元器件低频电噪声，这对电子元器件生产厂商来说尤为重要，促进其提升生产效益。