高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--高阻样品噪声测试解决方案

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3.2 高阻样品噪声测试解决方案
       
        为解决国内外现有高阻器件低频噪声测试技术中存在的问题，本文设计了两种噪声测试技术作为解决方案，分别是一种电压噪声测试技术和一种电流噪声测试技术。这两种技术分别解决了前文中描述的电压噪声和电流噪声测试技术的技术难题，并克服或缓解了已有高阻器件噪声测试技术的缺陷。
       
        3.2.1高阻样品电压噪声测试方案设计
          本技术的基本原理是利用一种特殊的桥两边元件不对称的电桥来实现噪声信号的测试。该方法解决了已有电压噪声测试方法中源阻抗过高、耦合电容承受电压过高和无法测试单个高阻器件噪声的问题。
       
        3.2.1.1测试方案介绍
          图3.9是本研究设计的新的高阻器件低频噪声测试电路的基本原理图。
           

       

         
       
        该电路一改以往本实验室采用的单端接地的信号输入方式，采用了差分输入方式。其中R x为待测样品，R t、R 1和R 2均为绕线电阻用于平衡电桥。该电路结构的主要优点如下：
          （1）解决以往高阻器件电压噪声测试技术无法测试单个器件的缺陷
          在噪声测试领域中其实已有的一种类似结构如图3.10：图3.10是本实验室研究者在研究中提到的一种厚膜电阻测试电路：图中四个电阻阻值相同，所测噪声为四个相同电阻器的平均噪声。该电路的缺陷是一次测得四个样品的噪声而无法测单一样品的噪声。实际上四个电阻无法完全做到阻值完全相同，四个电阻间百分之一的阻值误差就有可能导致无法实现文献中所提到直流耦合。
           

       

           
          即便对其进行改进，将其中三个电阻换为噪声可以忽略的绕线电阻来测单一样品，同样还存在下述问题：该电路测单一样品的噪声时对其他三个隔离电阻阻值有严格限制，必须与样品阻值完全相同，这在工程应用上就带来很大不便。图3.6中的电路也存在同样的问题，且在两电阻阻值都很大的时候，电阻误差也很大，从而该图中电路实际上无法做到像文献中所描述的那样能够做到的直流耦合。
       
        本方案中四个电阻阻值可以各不相同甚至可以差别很大，这在实际工程应用时测试系统电路元件的选择上就会带来很大方便。
       
        （2）样品在理论上可以加任意偏压，并且不需要耦合电容
          由于采用电桥结构和差分输入方式，当电路中元件保持如下关系式时：

       
       

         
        理论上样品两端可加任意大偏压。通过调节可变绕线电阻R 1来调节放大器两输入端间的电位差使之接近于零，从而可以使用直流耦合，经过本人反复实践，通过调整R 1可以很容易的实现直流耦合，因此不需要耦合电容。这样就使采集信号带宽延展到超低频，解决了本实验室以往测试中只能用交流耦合和信号低频端受限的问题。
        （3）信号频带宽
          由于测得的信号是由差分放大器所得到的电压信号，其信号通频带远大于电流噪声的信号。足够的频宽对后期噪声信号的理论分析非常重要。
          （4）该方法可应用于中低阻器件值得注意的一点是该方法不仅适合于高阻器件的应用，而且同样适用于有直流耦合和高偏执电压测试需求的中低阻器件。
       
        3.2.1.2测试技术原理分析
          以噪声作为信号源时，由于噪声是交流信号，因此我们将其等效为一个交流信号源来分析，此时电路中的直流源相对交流信号为短路，从而图3.9的交流等效电路变换为如下形式：
           

       

         
        R 1-2为R 1和R 2的并联等效电阻，由于R t和R 1-2均为绕线电阻，因此我们认为它们仅产生热噪声信号，而无1/f噪声。Vn为低频噪声源，当Rx与R 1、R 2满足如下关系式时：
         
          会得到以下结论：
          ①R 1-2的热噪声相对Rx和Rt的噪声来说极其小被忽略。
       
        ②R1-2的阻值相对于高阻样品Rx和Rt被忽略。于是得到如下简化电路
         
        此时电路中Rt的阻值会对测试系统的应用产生影响，当考虑了Rt的热噪声时电路如下图所示：
           

       

         

          其中Vn为Rx的噪声信号，Vt为Rt的热噪声信号
         
          是输入放大器的测试样品的低频噪声信号
         
          是输入放大器的隔离电阻Rt的热噪声信号，待测电阻噪声电压与功率谱的关系为：

       

         
       
        其中SVn（ f）为我们需要提取的频域电压功率谱密度信息。
       
        隔离电阻热噪声与功率谱的关系为：
       
        低频噪声信号要大于隔离电阻的热噪声使噪声信号能从热噪声中分离出来是测试系统正常工作的条件，即要使下式成立：
       
        联立（3-4）（3-5）（3-6）式可将系统的限制条件从时域转化到频域，上述系统工作条件变为：
         
          在转折频谱以上时，从（23）式可得：
         
        这便是系统工作的限制条件，在所要考察的频谱范围内，当R x和S vn为常量时，R t的值越大越好，这样等式右边越小，待测信号频谱与背景频谱的差异越大，转折频谱也越大，观察到的低频有色噪声信号频宽就越大。从（3-8）式我们还可以看出，样品的噪声越大越好，这样等式左边越大，待测信号频谱与背景频谱的差异越大。对于一些很特殊的小噪声高阻样品，必须增大R t的阻值。
         
        只有在知道高阻器件噪声量级的情况下，才能对系统所能够测得的阻值上限进行预测，但是国内外这方面数据极少，现在仅根据已有的一篇文献的数据进行推算：测得的10G厚膜电阻的噪声为：
         
         
          代入（3-8）式得；所需的R t约为1010Ω由此可见，对于像BJT或DC-DC转换器等噪声极大或者是含有RTS噪声的高阻器件我们可以容易的找到合适的高阻值绕线电阻。但是如果需要采用本测试方法测试更高阻值的高阻器件，可采用以下措施：
          ①专门订做高阻值绕线电阻。
       
        ②将测试系统中的隔离电阻R t放入低温系统（液氮或液氦）中。
       
        ③提高样品上的偏压，来激发更加明显的低频噪声。
       
        3.2.2 高阻样品电流噪声测试方案设计
        从2.2.2节的分析中我们已经知道当被测器件的电阻极大时，应当首选电流噪声测试技术。因此在测试电容、MOS这些等效阻值在高阻器件阻值范围内相对较高的器件时，采用电流噪声测试技术更加合理。本电流噪声测试技术的基本原理是利用锁相放大器的传输函数获取功能来还原被电流放大器衰减的信号高频部分，从而在不降低放大倍数的情况下实现展宽频带。
          3.2.2.1测试技术介绍
          图3.14是本研究设计的新的高阻器件低频电流噪声测试电路的基本原理图。

       

          本测试方法首先需要用电流放大器按照传统方法测得被高频部分被衰减的低频噪声信号，然后再通过放大器传输函数求得的归一化函数来还原信号。
       
        3.2.2.2测试技术原理分析
          本测试方法中并没有对电流放大器进行什么特殊改进，而只是使用了其典型功能，因此同样存在图3.3中所描述的信号通频带过窄的问题。展宽频带的关键是利用放大器在特定放大倍数下的传输函数曲线来还原信号，将原本被放大器无法正常放大而衰减的信号高频部分还原。
       
        传输函数的获取是利用锁相放大器能测得某一特定频率下信号的功能。对锁相放大器进行编程扫频，就可以求得在不同频率点下的信号幅度，从而得到放大器对频率不同但是幅度相同的信号的响应，即放大器的幅频特性曲线特定频率下信号的功能。对锁I （ f ）。
       
        最后通过公式
         
          得到归一化函数Q（f）式中A0放大倍数。然后通过下式得到还原后频带展宽至原来放大器高频截止频率的10倍至100倍之间的功率谱密度S（f)：
         
       
        该系统涉及到多个仪器和计算机的协同工作，并且要求多个设备之间能够实现数据传输。软件由本实验室自行开发，开发主平台为Labview，同时利用了Labview和C语言的混合编程、Labview和Matalab的混合编程以实现多种功能。
       
        该软件系统可以实现数据时域到频域的转换、曲线拟合、根据数据筛选样品、自动生成测试报告等多种功能。拟合分为直线拟合及曲线拟合两种方式，可以通过拟合计算噪声信息的白噪声幅度，1/f噪声幅度，转折频率，1/f噪声指数因子γ等参数。