电子元器件低频电噪声测试技术及应用研究
摘要：载流子微观运动会导致电器元器件出现低频电噪声，噪声的大小能够直接反应电子元器件的生产质量及可靠性。电子元器件生产厂家以及各地的研究所都对低频电噪声的测试技术十分关注。下文主要对电子元器件低频点噪声测试技术及其应用进行简单的探讨。
关键词：低频电噪声测试；偏置技术；低频噪声放大技术；数据采集技术；噪声数据处理
电子元器件在使用过程中会产生很多种噪声，根据噪声频域特性，电子器件噪声可以分为白噪声和有色噪声两种。白噪声主要包括散粒噪声、热噪声两种，有色噪声主要有超高频散粒噪声、G-R噪声等等几种。按照产生机制，电子器件噪声可以分为非平衡噪声和平衡噪声两种，其中散粒噪声、G-R噪声等噪声又属于非平衡噪声，热噪声则属于平衡噪声。电子元器件噪声的大小反映着产品的生产质量及可靠性，因此相关生产及研究人员都十分重视电子元器件的噪声测试问题，随着噪声研究的不断深入，电子元器件噪声测试方法越来越多，也更加精确、便捷。本文主要讨论电子元器件噪声测试中的数据采集技术、低频噪声放大技术、偏置技术以及噪声数据处理。
一、电子元器件低频电噪声测试技术概述
1912年洛伦兹在研究电子随机运动时开始研究应用电子元器件及电子系统的内在噪声测试问题，随后各国研究人员先后发现热噪声、散粒噪声、1/f噪声等等噪声，并开始研究噪声的机理、测试方法。早期噪声测试主要通过模拟测试的方法进行，滤波器、低噪声放大器、检波器、被测器件、检波器等等仪器设备共同组成一个测试系统，通过该系统能够完成电子器件特定频带的噪声测试。但这种测试方法存在着许多的不足，随着科学技术的不断发展。现阶段噪声测试技术已经有了很大的进步，已经能够同时进行噪声的频域及时域测试，下文主要就现阶段应用比较广泛的低频噪声测试技术进行简单概述。
二、电子元器件噪声测试方法及其应用
（一）噪声测试偏置技术
对被测器件进行外围匹配设计，通过偏置源使被测器件始终处于特定的测试状态，然后将被测信号输出的方法即噪声偏置。实际的应用过程中需要保证偏置电路的噪声性能以及负载和响应能力。设计偏置电路时，一般情况下不会使用有源的电子元器件。此外，偏置电路在工作过程中自身也可能会产生噪声，设计人员需要在保证不影响噪声测量精准度的同时对偏置电路进行旁路及滤波处理，被测元器件不同，偏置电路会存在一定的差别，目前来说主要有交流偏置和直流偏置两种技术。
1、直流偏置技术
噪声测试的基本方法即直流偏置。实际的操作过程中，首先将电子元器件置于恒定稳态的条件之下，然后在元器件上施加一个直流的工作电压，同时放大并测试输出端口信号。二端电阻器件进行直流偏置测试时，偏置电路如图1所示。
图1 二端电阻器件直流偏置电路图
偏置电流I由偏置电路提供并控制，电流从A端流经被测器件到达B端，在此过程中必须保证偏置电路提供的电流完全没有噪声或者噪声极低，为了确保测试过程中负载调整率较低，偏置电路的响应度应较好。电流通过被测器件时，它的大小变化完全由器件控制，噪声电压E=ΔIR，其中ΔI指的是电流的涨落大小，R指的是被测器件的等效电阻，由于电流变化较小，因此噪声电压与器件总电压相比就较小。为了保证测试结果的精准度，在直流偏置技术中主要使用交流耦合技术对直流电压进行放大，具体操作即将耦合电容连接在被测器件的输出段，耦合电容的主要功能是“隔直流通交流”，使用耦合电容能够将直流分量隔离出来，以便于后级信号放大。
2、交流偏置技术
实际的工作过程中还有可能需要研究电子元器件在交流偏置情况下的噪声特性，此时就需要使用交流偏置技术。交流偏置电流需要经过放大器才能够输出，一般情况下交流信号比电子元器件的噪声信号要大，可能会导致交流偏置与噪声难以区分的问题，因此需要消除交流偏置影响，通常情况下可以使用桥式电路以及锁相测试技术实现这一目标。交流偏置锁相测试技术在背景噪声及热噪声的消除中十分有效，但这种测试方法必须在电桥完全平衡的条件下进行，这实际上比较难实现。只有在样品的噪声特别低的情况下才可能考虑使用这种方法进行噪声测试。
（二）低频噪声放大技术
电子元器件中的噪声信号一般都比较微弱，为了保证噪声测试的精准度，实际的测试过程中需要尽可能降低测试系统产生的噪声同时将电子元器件的噪声进行放大处理，是测试结果更加清楚的显示出来。目前来说，常用的低噪声放大技术主要有两种，即双通道互谱测试技术和并联结构低噪声处理技术。
双通道互谱测试技术是在单通道测试技术的基础上发展形成的，电子元器件噪声信号与测试系统之间的噪声信号具有非相关性特点，通过相关性计算的方法能够消除测试系统噪声信号对于电子元器件噪声信号的影响，从而实现降低测试系统背景噪声的目的。使用双通道互谱测试技术不需要改变放大器本身的噪声就能够降低放大噪声对测试结果的影响，但在实际的使用过程中需要配置两个测试放大器以及对应的频谱分析设备，且两个测试放大器必须完全独立，频谱分析设备应具备互谱测量的功能，一定程度上限制了该种测试技术的普及。
正是由于双通道互谱测试技术存在着一些局限性，行业内研究人员开始对单通道测试环境下放大器低噪声化技术进行探讨分析，逐渐形成了SR570、PARC113等技术方法，总体来说SR570、PARC113方法下，电子元器件的噪声水平已经较低，目前应用比较广泛，但在纳米器件、低噪声二极管等等电子元器件的低频噪声测试中还存在一些问题，难以满足测试精准度要求，因此，部分研究人员提出了一种建立在并联结构基础上的噪声测试方法，这种技术方法之下，放大器的背景噪声得到了明显的降低，但这种方法也存在一定的局限性，实际的使用过程中可能会增加电流噪声，且增加量与并联的总数有一定的相关性关系，因此只有测试低阻抗样品的噪声时才能够使用这种测试方法。
（三）数据采集技术
噪声数据的采集是电子元器件低频噪声测试中的重要工作，基于A/D 转换基础上的数据采集技术是一种速度较快、效率较高、实时性良好的数据采集技术。下文描述的DMA 双缓冲技术以及数据采样技术都是在Labview 软件平台上实现的。数据的双缓冲操作主要在数据通过集卡写入循环缓冲时进行，数据的写入在采集卡自循环缓冲第二部分时进行，第一部分数据可以被上传到计算机的内传输缓冲之中，然后用户会根据具体的程序需求处理数据，循环缓冲进行到第二部分时，数据被写满之后，会自动转回第一部分继续写，原始数据会被覆盖，此时第二部分的数据可以继续向计算机内传输，这种情况下，就能够保证用户可以得到连续的数据流，这种数据采集方法之下，采集到的低频噪声数据都是连续的，但是数据的传输速度会受到影响，尤其是在数据量较大的情况下。
（四）噪声数据处理技术
电子元器件的低频电噪声信号采集完成之后，还需要对其进行分析处理，噪声处理过程中首先需要对其进行傅里叶变换，然后才能够在对应的频域范围内研究其特性。
结束语
噪声测试对于电子元器件的生产及应用十分重要，本文主要从噪声测试偏置技术、数据采集技术、低噪声化放大技术以及噪声数据处理几个方面就常见的电子元器件噪声测试方法进行了探讨，仅为相关技术研究以应用人员的工作提供参考。
参考文献
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[2]刘娟，白琳.电子元器件低频电噪声测试技术及应用分析[J].通讯世界.2015（06）
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