高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--測(cè)試技術(shù)介紹

電壓噪聲測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是一套同時(shí)基于軟件和硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)。其中硬件平臺(tái)由前端適配器、若干同軸電纜、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成。軟件平臺(tái)由數(shù)據(jù)采集軟件模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。硬件平臺(tái)的各模塊功能如下：

(1)前端適配器

前端適配器負(fù)責(zé)給樣品施加電應(yīng)力，以激發(fā)出器件中的低頻噪聲信號(hào)。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(hào)充分放大，達(dá)到可以采集或分析的量級(jí)。本系統(tǒng)采用自行搭建的基于AD743的放大電路或SR560低噪聲電壓放大器。

(3)數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的作用是對(duì)對(duì)放大后的噪聲信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的格式。本系統(tǒng)采用凌華的2010數(shù)據(jù)采集卡，可以達(dá)到最高200M/s的采樣速率。

(4)計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)起到控制數(shù)據(jù)采集卡的作用，保證數(shù)據(jù)采集卡在高采樣速率下的實(shí)時(shí)性。同時(shí)計(jì)算機(jī)平臺(tái)還起到存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的功能。

(5)同軸電纜

系統(tǒng)中信號(hào)在各個(gè)硬件模塊之間的傳輸是通過(guò)同軸電纜實(shí)現(xiàn)的。同軸電纜對(duì)干擾的屏蔽能力強(qiáng)，這也是本系統(tǒng)選用它作為信號(hào)傳輸線的主要原因。

軟件平臺(tái)的各模塊功能如下：

(1)數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊的軟件代碼起到程控?cái)?shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集的作用。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊由Labview圖形化語(yǔ)言編寫。

(2)數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊包括傅里葉變換、爆裂噪聲分析、寬帶噪聲分析、曲線擬合等各種子功能模塊，為數(shù)據(jù)處理提供強(qiáng)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(xiàn)。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將采集到的大量數(shù)據(jù)和分析后的結(jié)果數(shù)據(jù)保存到硬盤上。這部分功能由Labview語(yǔ)言編寫。

3.3.1.2測(cè)試系統(tǒng)工作流程

本測(cè)試系統(tǒng)的操作由基于Labview軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。軟件主要界面如下圖所示：

首先，將待測(cè)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是否連接正確。然后給器件施加直流信號(hào)來(lái)激發(fā)噪聲信號(hào)。接下來(lái)，根據(jù)信號(hào)幅值的大小將放大器調(diào)至合適的放大倍數(shù)。之后，在軟件界面上激活頻譜采集功能。信號(hào)采集結(jié)束后，選擇信號(hào)分析模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種定量分析。最后，將采集的數(shù)據(jù)和分析后的數(shù)據(jù)存盤。該測(cè)試系統(tǒng)的流程如圖3.17所示：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)，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(xiàn)軟件多樣的功能。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。擬合分為直線擬合及曲線擬合兩種方式，可以通過(guò)擬合計(jì)算噪聲信息白噪聲幅度，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)。

3.3.2電流噪聲測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.3.2.1測(cè)試系統(tǒng)組成模塊

電流噪聲測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)同樣是一套同時(shí)基于軟件和硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)。

其中硬件平臺(tái)由前端適配器、若干同軸電纜、電流放大器、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)組成。軟件平臺(tái)由放大器傳輸曲線采集模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成。

硬件平臺(tái)的各模塊與3.3.1節(jié)中所述的模塊基本相同，區(qū)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I(f)，該模塊的基本原理請(qǐng)參見(jiàn)圖3.14.本系統(tǒng)選用了DSP7265鎖相放大器。

軟件平臺(tái)的各模塊也與3.3.1節(jié)中所述的模塊基本相同，但是系統(tǒng)中增加了一個(gè)傳輸函數(shù)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并將曲線數(shù)據(jù)輸送入計(jì)算機(jī)的作用。數(shù)據(jù)通信采用RS232串口通信方式。

3.3.2.2測(cè)試系統(tǒng)工作流程

本測(cè)試系統(tǒng)的操作同樣基于Labview軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)控制電流放大器、鎖相放大器。操作流程主要分為數(shù)據(jù)采集和歸一化曲線獲取兩部分。

首先，將待測(cè)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是否連接正確。然后給器件施加直流信號(hào)來(lái)激發(fā)噪聲信號(hào)。接下來(lái)，根據(jù)信號(hào)幅值的大小將放大器調(diào)至合適的放大倍數(shù)。之后，在軟件界面上激活頻譜采集功能。

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

(1)設(shè)此時(shí)的電流放大器放大倍數(shù)為A 0。設(shè)置鎖相放大器高精度交流正弦信號(hào)源輸出端電壓有效值V 0，將一標(biāo)準(zhǔn)電阻器R 0的一端串接入交流信號(hào)源輸出端，此時(shí)若電阻器另一端也串接入交流信號(hào)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(hào)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(hào)A0I0輸入至鎖相放大器的信號(hào)輸入端。調(diào)整V 0的大小，使放大后的正弦交流信號(hào)有效值在鎖相放大器的量程V max之內(nèi)，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(hào)V 0的頻率從零開(kāi)始以一定的步長(zhǎng)遞增，一直遞增到信號(hào)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(duì)頻率不同而幅度相同的信號(hào)的響應(yīng)，即電流放大器在放大倍數(shù)A0下的幅頻特性曲線I(f)。若樣品的電流噪聲信號(hào)功率譜密度遠(yuǎn)大于電流放大器本底噪聲，則可將信號(hào)頻率遞增的上限設(shè)置為高頻截止頻率的100倍或更高;若樣品的電流噪聲信號(hào)功率譜密度接近放大器的本底噪聲，則可將信號(hào)頻率遞增的上限設(shè)置為高頻截止頻率的10倍。操作中根據(jù)實(shí)際情，在放大器高頻截止頻率的10倍以上設(shè)置掃頻的上限頻率，以達(dá)到較理想的效果。

得到傳輸函數(shù)曲線后，計(jì)算機(jī)平臺(tái)會(huì)按照公式(3-9)來(lái)計(jì)算放大器的歸一化函數(shù)并利用歸一化曲線還原功率譜密度高頻部分被衰減的信息。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理，并將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)和分析得到的結(jié)果數(shù)據(jù)存盤。整個(gè)流程如下圖所示：