高阻器件低頻噪聲測試技術(shù)與應用研究--測試技術(shù)介紹

電壓噪聲測試系統的實(shí)現是一套同時(shí)基于軟件和硬件平臺的測試系統。其中硬件平臺由前端適配器、若干同軸電纜、放大電路、數據采集卡、計算機組成。軟件平臺由數據采集軟件模塊、數據分析模塊、數據存儲模塊組成。硬件平臺的各模塊功能如下：

(1)前端適配器

前端適配器負責給樣品施加電應力，以激發(fā)出器件中的低頻噪聲信號。我們采用自制的金屬盒作為前端適配器。

(2)放大電路

放大電路將從前端適配器激發(fā)出的噪聲電壓信號充分放大，達到可以采集或分析的量級。本系統采用自行搭建的基于A(yíng)D743的放大電路或SR560低噪聲電壓放大器。

(3)數據采集卡

數據采集卡的作用是對對放大后的噪聲信號進(jìn)行采集，通過(guò)模數轉換將信號轉換為計算機能識別的格式。本系統采用凌華的2010數據采集卡，可以達到最高200M/s的采樣速率。

(4)計算機

計算機起到控制數據采集卡的作用，保證數據采集卡在高采樣速率下的實(shí)時(shí)性。同時(shí)計算機平臺還起到存儲采集數據和對數據進(jìn)行復雜運算的功能。

(5)同軸電纜

系統中信號在各個(gè)硬件模塊之間的傳輸是通過(guò)同軸電纜實(shí)現的。同軸電纜對干擾的屏蔽能力強，這也是本系統選用它作為信號傳輸線(xiàn)的主要原因。

軟件平臺的各模塊功能如下：

(1)數據采集模塊

數據采集模塊的軟件代碼起到程控數據采集卡實(shí)時(shí)進(jìn)行信號采集的作用。本系統中的數據采集模塊由Labview圖形化語(yǔ)言編寫(xiě)。

(2)數據分析模塊

數據分析模塊包括傅里葉變換、爆裂噪聲分析、寬帶噪聲分析、曲線(xiàn)擬合等各種子功能模塊，為數據處理提供強大的支持。該模塊由Matlab、C語(yǔ)言、Labview語(yǔ)言三種程序進(jìn)行混合編程來(lái)實(shí)現。

(3)數據存儲模塊

數據存儲模塊負責將采集到的大量數據和分析后的結果數據保存到硬盤(pán)上。這部分功能由Labview語(yǔ)言編寫(xiě)。

3.3.1.2測試系統工作流程

本測試系統的操作由基于Labview軟件平臺開(kāi)發(fā)的人機交互界面來(lái)完成，實(shí)現自動(dòng)化操作。軟件主要界面如下圖所示：

首先，將待測高阻樣品放入前端適配器，并檢查各硬件模塊之間的連接線(xiàn)是否連接正確。然后給器件施加直流信號來(lái)激發(fā)噪聲信號。接下來(lái)，根據信號幅值的大小將放大器調至合適的放大倍數。之后，在軟件界面上激活頻譜采集功能。信號采集結束后，選擇信號分析模塊對信號進(jìn)行各種定量分析。最后，將采集的數據和分析后的數據存盤(pán)。該測試系統的流程如圖3.17所示：該系統涉及到多個(gè)儀器和計算機的協(xié)同工作，并且要求多個(gè)設備之間能夠實(shí)現數據傳輸。軟件由本實(shí)驗室自行開(kāi)發(fā)，同時(shí)利用了Labview和C語(yǔ)言的混合編程、Labview和Matlab的混合編程已實(shí)現軟件多樣的功能。該軟件系統可以實(shí)現數據時(shí)域到頻域的轉換、曲線(xiàn)擬合、根據數據篩選樣品、自動(dòng)生成測試報告等多種功能。擬合分為直線(xiàn)擬合及曲線(xiàn)擬合兩種方式，可以通過(guò)擬合計算噪聲信息白噪聲幅度，1/f噪聲幅度，轉折頻率，1/f噪聲指數因子γ等參數。

3.3.2電流噪聲測試系統實(shí)現

3.3.2.1測試系統組成模塊

電流噪聲測試系統的實(shí)現同樣是一套同時(shí)基于軟件和硬件平臺的測試系統。

其中硬件平臺由前端適配器、若干同軸電纜、電流放大器、鎖相放大器、數據采集卡、計算機組成。軟件平臺由放大器傳輸曲線(xiàn)采集模塊、數據采集模塊、數據分析模塊、數據存儲模塊組成。

硬件平臺的各模塊與3.3.1節中所述的模塊基本相同，區別在于：硬件模塊組成中加入了鎖相放大器來(lái)獲取放大器幅頻特性曲線(xiàn)I(f)，該模塊的基本原理請參見(jiàn)圖3.14.本系統選用了DSP7265鎖相放大器。

軟件平臺的各模塊也與3.3.1節中所述的模塊基本相同，但是系統中增加了一個(gè)傳輸函數采集模塊。該模塊起到控制鎖相放大器采集電流放大器幅頻特性曲線(xiàn)并將曲線(xiàn)數據輸送入計算機的作用。數據通信采用RS232串口通信方式。

3.3.2.2測試系統工作流程

本測試系統的操作同樣基于Labview軟件平臺開(kāi)發(fā)的人機交互界面，通過(guò)計算機軟件平臺控制電流放大器、鎖相放大器。操作流程主要分為數據采集和歸一化曲線(xiàn)獲取兩部分。

首先，將待測高阻樣品放入前端適配器，并檢查各硬件模塊之間的連接線(xiàn)是否連接正確。然后給器件施加直流信號來(lái)激發(fā)噪聲信號。接下來(lái)，根據信號幅值的大小將放大器調至合適的放大倍數。之后，在軟件界面上激活頻譜采集功能。

采集結束后，利用鎖相放大器獲取放大器在該放大倍數下的傳輸函數。這一步按如下流程操作：

(1)設此時(shí)的電流放大器放大倍數為A 0。設置鎖相放大器高精度交流正弦信號源輸出端電壓有效值V 0，將一標準電阻器R 0的一端串接入交流信號源輸出端，此時(shí)若電阻器另一端也串接入交流信號源輸出端，則可得到流經(jīng)電阻器的電流有效值為I0 = V0/ R0.

(2)將電流I 0輸入至電流放大器的輸入端，即將鎖相放大器交流信號源輸出端、電阻器R 0和電流放大器串聯(lián)形成回路，再將放大后的正弦交流信號A0I0輸入至鎖相放大器的信號輸入端。調整V 0的大小，使放大后的正弦交流信號有效值在鎖相放大器的量程V max之內，即使下式成立：

之后，開(kāi)啟鎖相放大器的掃頻功能，保持V 0的幅度不變，將信號V 0的頻率從零開(kāi)始以一定的步長(cháng)遞增，一直遞增到信號高頻截止頻率的10倍或100倍之間的某個(gè)頻點(diǎn)值，鎖相放大器會(huì )由此得到電流放大器對頻率不同而幅度相同的信號的響應，即電流放大器在放大倍數A0下的幅頻特性曲線(xiàn)I(f)。若樣品的電流噪聲信號功率譜密度遠大于電流放大器本底噪聲，則可將信號頻率遞增的上限設置為高頻截止頻率的100倍或更高;若樣品的電流噪聲信號功率譜密度接近放大器的本底噪聲，則可將信號頻率遞增的上限設置為高頻截止頻率的10倍。操作中根據實(shí)際情，在放大器高頻截止頻率的10倍以上設置掃頻的上限頻率，以達到較理想的效果。

得到傳輸函數曲線(xiàn)后，計算機平臺會(huì )按照公式(3-9)來(lái)計算放大器的歸一化函數并利用歸一化曲線(xiàn)還原功率譜密度高頻部分被衰減的信息。最后，對數據進(jìn)行各種分析處理，并將采集的信號數據和分析得到的結果數據存盤(pán)。整個(gè)流程如下圖所示：