高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--高阻樣品噪聲測(cè)試解決方案

3.2 高阻樣品噪聲測(cè)試解決方案

為解決國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)中存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了兩種噪聲測(cè)試技術(shù)作為解決方案，分別是一種電壓噪聲測(cè)試技術(shù)和一種電流噪聲測(cè)試技術(shù)。這兩種技術(shù)分別解決了前文中描述的電壓噪聲和電流噪聲測(cè)試技術(shù)的技術(shù)難題，并克服或緩解了已有高阻器件噪聲測(cè)試技術(shù)的缺陷。

3.2.1高阻樣品電壓噪聲測(cè)試方案設(shè)計(jì)

本技術(shù)的基本原理是利用一種特殊的橋兩邊元件不對(duì)稱(chēng)的電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲信號(hào)的測(cè)試。該方法解決了已有電壓噪聲測(cè)試方法中源阻抗過(guò)高、耦合電容承受電壓過(guò)高和無(wú)法測(cè)試單個(gè)高阻器件噪聲的問(wèn)題。

3.2.1.1測(cè)試方案介紹

圖3.9是本研究設(shè)計(jì)的新的高阻器件低頻噪聲測(cè)試電路的基本原理圖。

該電路一改以往本實(shí)驗(yàn)室采用的單端接地的信號(hào)輸入方式，采用了差分輸入方式。其中R x為待測(cè)樣品，R t、R 1和R 2均為繞線(xiàn)電阻用于平衡電橋。該電路結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)解決以往高阻器件電壓噪聲測(cè)試技術(shù)無(wú)法測(cè)試單個(gè)器件的缺陷

在噪聲測(cè)試領(lǐng)域中其實(shí)已有的一種類(lèi)似結(jié)構(gòu)如圖3.10：圖3.10是本實(shí)驗(yàn)室研究者在研究中提到的一種厚膜電阻測(cè)試電路：圖中四個(gè)電阻阻值相同，所測(cè)噪聲為四個(gè)相同電阻器的平均噪聲。該電路的缺陷是一次測(cè)得四個(gè)樣品的噪聲而無(wú)法測(cè)單一樣品的噪聲。實(shí)際上四個(gè)電阻無(wú)法完全做到阻值完全相同，四個(gè)電阻間百分之一的阻值誤差就有可能導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)文獻(xiàn)中所提到直流耦合。

即便對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，將其中三個(gè)電阻換為噪聲可以忽略的繞線(xiàn)電阻來(lái)測(cè)單一樣品，同樣還存在下述問(wèn)題：該電路測(cè)單一樣品的噪聲時(shí)對(duì)其他三個(gè)隔離電阻阻值有嚴(yán)格限制，必須與樣品阻值完全相同，這在工程應(yīng)用上就帶來(lái)很大不便。圖3.6中的電路也存在同樣的問(wèn)題，且在兩電阻阻值都很大的時(shí)候，電阻誤差也很大，從而該圖中電路實(shí)際上無(wú)法做到像文獻(xiàn)中所描述的那樣能夠做到的直流耦合。

本方案中四個(gè)電阻阻值可以各不相同甚至可以差別很大，這在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)測(cè)試系統(tǒng)電路元件的選擇上就會(huì)帶來(lái)很大方便。

(2)樣品在理論上可以加任意偏壓，并且不需要耦合電容

由于采用電橋結(jié)構(gòu)和差分輸入方式，當(dāng)電路中元件保持如下關(guān)系式時(shí)：

理論上樣品兩端可加任意大偏壓。通過(guò)調(diào)節(jié)可變繞線(xiàn)電阻R 1來(lái)調(diào)節(jié)放大器兩輸入端間的電位差使之接近于零，從而可以使用直流耦合，經(jīng)過(guò)本人反復(fù)實(shí)踐，通過(guò)調(diào)整R 1可以很容易的實(shí)現(xiàn)直流耦合，因此不需要耦合電容。這樣就使采集信號(hào)帶寬延展到超低頻，解決了本實(shí)驗(yàn)室以往測(cè)試中只能用交流耦合和信號(hào)低頻端受限的問(wèn)題。

(3)信號(hào)頻帶寬

由于測(cè)得的信號(hào)是由差分放大器所得到的電壓信號(hào)，其信號(hào)通頻帶遠(yuǎn)大于電流噪聲的信號(hào)。足夠的頻寬對(duì)后期噪聲信號(hào)的理論分析非常重要。

(4)該方法可應(yīng)用于中低阻器件值得注意的一點(diǎn)是該方法不僅適合于高阻器件的應(yīng)用，而且同樣適用于有直流耦合和高偏執(zhí)電壓測(cè)試需求的中低阻器件。

3.2.1.2測(cè)試技術(shù)原理分析

以噪聲作為信號(hào)源時(shí)，由于噪聲是交流信號(hào)，因此我們將其等效為一個(gè)交流信號(hào)源來(lái)分析，此時(shí)電路中的直流源相對(duì)交流信號(hào)為短路，從而圖3.9的交流等效電路變換為如下形式：

R 1-2為R 1和R 2的并聯(lián)等效電阻，由于R t和R 1-2均為繞線(xiàn)電阻，因此我們認(rèn)為它們僅產(chǎn)生熱噪聲信號(hào)，而無(wú)1/f噪聲。Vn為低頻噪聲源，當(dāng)Rx與R 1、R 2滿(mǎn)足如下關(guān)系式時(shí)：

會(huì)得到以下結(jié)論：

①R 1-2的熱噪聲相對(duì)Rx和Rt的噪聲來(lái)說(shuō)極其小被忽略。

②R1-2的阻值相對(duì)于高阻樣品Rx和Rt被忽略。于是得到如下簡(jiǎn)化電路

此時(shí)電路中Rt的阻值會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)生影響，當(dāng)考慮了Rt的熱噪聲時(shí)電路如下圖所示：

其中Vn為Rx的噪聲信號(hào)，Vt為Rt的熱噪聲信號(hào)

是輸入放大器的測(cè)試樣品的低頻噪聲信號(hào)

是輸入放大器的隔離電阻Rt的熱噪聲信號(hào)，待測(cè)電阻噪聲電壓與功率譜的關(guān)系為：

其中SVn( f)為我們需要提取的頻域電壓功率譜密度信息。

隔離電阻熱噪聲與功率譜的關(guān)系為：

低頻噪聲信號(hào)要大于隔離電阻的熱噪聲使噪聲信號(hào)能從熱噪聲中分離出來(lái)是測(cè)試系統(tǒng)正常工作的條件，即要使下式成立：

聯(lián)立(3-4)(3-5)(3-6)式可將系統(tǒng)的限制條件從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域，上述系統(tǒng)工作條件變?yōu)椋?/p>

在轉(zhuǎn)折頻譜以上時(shí)，從(23)式可得：

這便是系統(tǒng)工作的限制條件，在所要考察的頻譜范圍內(nèi)，當(dāng)R x和S vn為常量時(shí)，R t的值越大越好，這樣等式右邊越小，待測(cè)信號(hào)頻譜與背景頻譜的差異越大，轉(zhuǎn)折頻譜也越大，觀察到的低頻有色噪聲信號(hào)頻寬就越大。從(3-8)式我們還可以看出，樣品的噪聲越大越好，這樣等式左邊越大，待測(cè)信號(hào)頻譜與背景頻譜的差異越大。對(duì)于一些很特殊的小噪聲高阻樣品，必須增大R t的阻值。

只有在知道高阻器件噪聲量級(jí)的情況下，才能對(duì)系統(tǒng)所能夠測(cè)得的阻值上限進(jìn)行預(yù)測(cè)，但是國(guó)內(nèi)外這方面數(shù)據(jù)極少，現(xiàn)在僅根據(jù)已有的一篇文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行推算：測(cè)得的10G厚膜電阻的噪聲為：

代入(3-8)式得;所需的R t約為1010Ω由此可見(jiàn)，對(duì)于像BJT或DC-DC轉(zhuǎn)換器等噪聲極大或者是含有RTS噪聲的高阻器件我們可以容易的找到合適的高阻值繞線(xiàn)電阻。但是如果需要采用本測(cè)試方法測(cè)試更高阻值的高阻器件，可采用以下措施：

①專(zhuān)門(mén)訂做高阻值繞線(xiàn)電阻。

②將測(cè)試系統(tǒng)中的隔離電阻R t放入低溫系統(tǒng)(液氮或液氦)中。

③提高樣品上的偏壓，來(lái)激發(fā)更加明顯的低頻噪聲。

3.2.2 高阻樣品電流噪聲測(cè)試方案設(shè)計(jì)

從2.2.2節(jié)的分析中我們已經(jīng)知道當(dāng)被測(cè)器件的電阻極大時(shí)，應(yīng)當(dāng)首選電流噪聲測(cè)試技術(shù)。因此在測(cè)試電容、MOS這些等效阻值在高阻器件阻值范圍內(nèi)相對(duì)較高的器件時(shí)，采用電流噪聲測(cè)試技術(shù)更加合理。本電流噪聲測(cè)試技術(shù)的基本原理是利用鎖相放大器的傳輸函數(shù)獲取功能來(lái)還原被電流放大器衰減的信號(hào)高頻部分，從而在不降低放大倍數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)展寬頻帶。

3.2.2.1測(cè)試技術(shù)介紹

圖3.14是本研究設(shè)計(jì)的新的高阻器件低頻電流噪聲測(cè)試電路的基本原理圖。

本測(cè)試方法首先需要用電流放大器按照傳統(tǒng)方法測(cè)得被高頻部分被衰減的低頻噪聲信號(hào)，然后再通過(guò)放大器傳輸函數(shù)求得的歸一化函數(shù)來(lái)還原信號(hào)。

3.2.2.2測(cè)試技術(shù)原理分析

本測(cè)試方法中并沒(méi)有對(duì)電流放大器進(jìn)行什么特殊改進(jìn)，而只是使用了其典型功能，因此同樣存在圖3.3中所描述的信號(hào)通頻帶過(guò)窄的問(wèn)題。展寬頻帶的關(guān)鍵是利用放大器在特定放大倍數(shù)下的傳輸函數(shù)曲線(xiàn)來(lái)還原信號(hào)，將原本被放大器無(wú)法正常放大而衰減的信號(hào)高頻部分還原。

傳輸函數(shù)的獲取是利用鎖相放大器能測(cè)得某一特定頻率下信號(hào)的功能。對(duì)鎖相放大器進(jìn)行編程掃頻，就可以求得在不同頻率點(diǎn)下的信號(hào)幅度，從而得到放大器對(duì)頻率不同但是幅度相同的信號(hào)的響應(yīng)，即放大器的幅頻特性曲線(xiàn)特定頻率下信號(hào)的功能。對(duì)鎖I ( f )。

最后通過(guò)公式

得到歸一化函數(shù)Q(f)式中A0放大倍數(shù)。然后通過(guò)下式得到還原后頻帶展寬至原來(lái)放大器高頻截止頻率的10倍至100倍之間的功率譜密度S(f)：

該系統(tǒng)涉及到多個(gè)儀器和計(jì)算機(jī)的協(xié)同工作，并且要求多個(gè)設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。軟件由本實(shí)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)主平臺(tái)為L(zhǎng)abview，同時(shí)利用了Labview和C語(yǔ)言的混合編程、Labview和Matalab的混合編程以實(shí)現(xiàn)多種功能。

該軟件系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換、曲線(xiàn)擬合、根據(jù)數(shù)據(jù)篩選樣品、自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告等多種功能。擬合分為直線(xiàn)擬合及曲線(xiàn)擬合兩種方式，可以通過(guò)擬合計(jì)算噪聲信息的白噪聲幅度，1/f噪聲幅度，轉(zhuǎn)折頻率，1/f噪聲指數(shù)因子γ等參數(shù)。