高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--测试技术介绍

 电压噪声测试系统的实现是一套同时基于软件和硬件平台的测试系统。其中硬件平台由前端适配器、若干同轴电缆、放大电路、数据采集卡、计算机组成。软件平台由数据采集软件模块、数据分析模块、数据存储模块组成。硬件平台的各模块功能如下：

(1)前端适配器

前端适配器负责给样品施加电应力，以激发出器件中的低频噪声信号。我们采用自制的金属盒作为前端适配器。

(2)放大电路

放大电路将从前端适配器激发出的噪声电压信号充分放大，达到可以采集或分析的量级。本系统采用自行搭建的基于AD743的放大电路或SR560低噪声电压放大器。

(3)数据采集卡

数据采集卡的作用是对对放大后的噪声信号进行采集，通过模数转换将信号转换为计算机能识别的格式。本系统采用凌华的2010数据采集卡，可以达到最高200M/s的采样速率。

(4)计算机

计算机起到控制数据采集卡的作用，保证数据采集卡在高采样速率下的实时性。同时计算机平台还起到存储采集数据和对数据进行复杂运算的功能。

(5)同轴电缆

系统中信号在各个硬件模块之间的传输是通过同轴电缆实现的。同轴电缆对干扰的屏蔽能力强，这也是本系统选用它作为信号传输线的主要原因。

软件平台的各模块功能如下：

(1)数据采集模块

数据采集模块的软件代码起到程控数据采集卡实时进行信号采集的作用。本系统中的数据采集模块由Labview图形化语言编写。

(2)数据分析模块

数据分析模块包括傅里叶变换、爆裂噪声分析、宽带噪声分析、曲线拟合等各种子功能模块，为数据处理提供强大的支持。该模块由Matlab、C语言、Labview语言三种程序进行混合编程来实现。

(3)数据存储模块

数据存储模块负责将采集到的大量数据和分析后的结果数据保存到硬盘上。这部分功能由Labview语言编写。

3.3.1.2测试系统工作流程

本测试系统的操作由基于Labview软件平台开发的人机交互界面来完成，实现自动化操作。软件主要界面如下图所示：

首先，将待测高阻样品放入前端适配器，并检查各硬件模块之间的连接线是否连接正确。然后给器件施加直流信号来激发噪声信号。接下来，根据信号幅值的大小将放大器调至合适的放大倍数。之后，在软件界面上激活频谱采集功能。信号采集结束后，选择信号分析模块对信号进行各种定量分析。最后，将采集的数据和分析后的数据存盘。该测试系统的流程如图3.17所示：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，同时利用了Labview和C语言的混合编程、Labview和Matlab的混合编程已实现软件多样的功能。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。

3.3.2电流噪声测试系统实现

3.3.2.1测试系统组成模块

电流噪声测试系统的实现同样是一套同时基于软件和硬件平台的测试系统。

其中硬件平台由前端适配器、若干同轴电缆、电流放大器、锁相放大器、数据采集卡、计算机组成。软件平台由放大器传输曲线采集模块、数据采集模块、数据分析模块、数据存储模块组成。

硬件平台的各模块与3.3.1节中所述的模块基本相同，区别在于：硬件模块组成中加入了锁相放大器来获取放大器幅频特性曲线I(f)，该模块的基本原理请参见图3.14.本系统选用了DSP7265锁相放大器。

软件平台的各模块也与3.3.1节中所述的模块基本相同，但是系统中增加了一个传输函数采集模块。该模块起到控制锁相放大器采集电流放大器幅频特性曲线并将曲线数据输送入计算机的作用。数据通信采用RS232串口通信方式。

3.3.2.2测试系统工作流程

本测试系统的操作同样基于Labview软件平台开发的人机交互界面，通过计算机软件平台控制电流放大器、锁相放大器。操作流程主要分为数据采集和归一化曲线获取两部分。

首先，将待测高阻样品放入前端适配器，并检查各硬件模块之间的连接线是否连接正确。然后给器件施加直流信号来激发噪声信号。接下来，根据信号幅值的大小将放大器调至合适的放大倍数。之后，在软件界面上激活频谱采集功能。

采集结束后，利用锁相放大器获取放大器在该放大倍数下的传输函数。这一步按如下流程操作：

(1)设此时的电流放大器放大倍数为A 0。设置锁相放大器高精度交流正弦信号源输出端电压有效值V 0，将一标准电阻器R 0的一端串接入交流信号源输出端，此时若电阻器另一端也串接入交流信号源输出端，则可得到流经电阻器的电流有效值为I0 = V0/ R0.

(2)将电流I 0输入至电流放大器的输入端，即将锁相放大器交流信号源输出端、电阻器R 0和电流放大器串联形成回路，再将放大后的正弦交流信号A0I0输入至锁相放大器的信号输入端。调整V 0的大小，使放大后的正弦交流信号有效值在锁相放大器的量程V max之内，即使下式成立：

之后，开启锁相放大器的扫频功能，保持V 0的幅度不变，将信号V 0的频率从零开始以一定的步长递增，一直递增到信号高频截止频率的10倍或100倍之间的某个频点值，锁相放大器会由此得到电流放大器对频率不同而幅度相同的信号的响应，即电流放大器在放大倍数A0下的幅频特性曲线I(f)。若样品的电流噪声信号功率谱密度远大于电流放大器本底噪声，则可将信号频率递增的上限设置为高频截止频率的100倍或更高;若样品的电流噪声信号功率谱密度接近放大器的本底噪声，则可将信号频率递增的上限设置为高频截止频率的10倍。操作中根据实际情，在放大器高频截止频率的10倍以上设置扫频的上限频率，以达到较理想的效果。

得到传输函数曲线后，计算机平台会按照公式(3-9)来计算放大器的归一化函数并利用归一化曲线还原功率谱密度高频部分被衰减的信息。最后，对数据进行各种分析处理，并将采集的信号数据和分析得到的结果数据存盘。整个流程如下图所示：