1、1基于虚拟仪器的电子器件低频噪声测试分析系统*包军林,庄奕琪,李伟华,杜 磊(西安电子科技大学微电子研究所，西安 710071)摘要 低频噪声已经作为一个重要的参量用于军用电子元器件的可靠性筛选和评估。本文介绍了一种基于虚拟仪器的电子器件低频噪声测试分析系统。与传统以通用仪器组建的噪声测试系统相比，不仅成本低，而且实现了电子器件低频噪声的实时、快速测量，并可对其各个表征参量进行准确的分析和提取。关键字：低频噪声 虚拟仪器 可靠性筛选Noise Testing and analyzing system of Electronic Device based on virtual instrumen
2、tationBao Junlin, Zhuang Yiqi, Li Weihua, Dulei(Research Inst. of Microelectronics, Xidian Uni., Xian 710071 China)Abstract As an important way, the low-frequency noise has been used to evaluate and screen the reliability of military-used electronic device. A noise testing and analyzing system of el
3、ectronic device, based on the idea of virtual instrumentation, is introduced. This system not only has a higher ratio of performance to price than the former one, which is assembling the commonly used apparatus into a testing system, but also can make a fast and real-time noises measure, including a
4、ll its parameters analyzed and picked-up exactly. Keywords: low-frequency noise, virtual instrument, reliability screen1 引言电子器件的内部噪声（特别是低频噪声）是制约器件灵敏度和检测精度的一个关键指标，同时也是表征器件质量和可靠性的一个重要的敏感参数，对电子器件内部噪声的检测与分析是其可靠性保证的一个有效手段 1-3。同时，在我国的的一些有关国家军用标准、行业军用标准已经把噪声参数规定为有关器件可靠性评估、可靠性诊断和可靠性加严筛选的必测指标。传统的电子器件噪声测试分析系统
5、是以通用仪器为测试平台的构建方式，这种系统利用频谱分析仪来测量噪声的功率谱，用数字示波器来测量噪声的时间系列。但能满足噪声可靠性分析要求的该仪器目前国内不能生产，而进口仪器又因为价格过高限制了它的使用。更为重要的是此类系统的可升级性差，系统的功能扩展往往受到系统硬件（尤其是频谱分析仪和数字示波器的测试范围）的限制。针对这一情况，我们开发并研制了一套以2白噪声源偏置器电源被测对象 低噪声前放 控制与分析微机A/D 数据采集卡低噪声前放D/A 波形输出卡打印机微机为测试平台，基于虚拟仪器的电子器件低频噪声测试分析系统。大量的测试结果表明该系统具有测试精度高、功能覆盖面广、系统可升级性好、性能价格比
6、高的优点。2 系统的构成和工作原理该系统是基于虚拟仪器技术的一套完整的电子器件低频噪声测试仪器。其主要的功能是在软件的控制下实现信号的采集分析的处理的，因而可以完成传统测试系统无法达到的对被测信号实时、准确、高速的采集和分析。2.1 硬件系统及其工作原理电子器件的低频噪声十分微弱，如单位带宽的噪声电压可低至 10nV，单位带宽的噪声电流可低至 1pA。因此，要能有效地检测这种噪声，测试系统必须具有足够高的输入灵敏度。为此，本系统采用如图 1 所示的框架，由器件适配器、偏置器、低噪声前置放大器、数据采集卡和微型计算机五大部分组成。器件适配器和偏置器主要是根据各种待测器件的噪声测试和传递函数测试的
7、具体要求，提供偏置电压、偏置电流、源电阻并配置外接元件，使之处于噪声测试所要求的工作状态之下，并通过交流耦合的方法将噪声信号提取出来，经过前置放大器的放大和数据采集卡的采样将其送至微机进行数据的分析处理、存储和打印输出。2.2 软件系统及其工作原理电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。由于计算机性能以摩尔定律的速度发展，已把传统仪器远远抛到后面，并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。基于虚拟仪器方式搭建测试平台是通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件
8、控制数据采集卡实现对被测信号处理。为了实现信号实时、快速、准确的采集，我们选择了 DAQ2010 数据采集卡。其最大采样频率为 2MHz，足以保证本仪器的测试频率范围；量化精度为 14bit，足以保证本仪器的测试精度和动态范围。该数据采集卡还带有程控增益放大器、DA 转换器，为仪器的功能拓展创造了条件。数据的传输采用异步双缓冲直接内存访问的方式，保证了数据传输的快速和连续。信号的连续双通道采集的实现为后续的时域分析和频域分析创造了先决主控模块信号采集模块功率谱分析模块时间序列分析模块集总参数模块输 出 模 块采样频率控制采样点数控制内置增益控制峰峰值检测真有效值检测平 滑 处 理宽带噪声等效输
9、入噪声噪声系数图形输出报告输出打印控制FFT 变 换加 窗 选 择平均化处理图 2 仪器软件构成框图3条件。同时在计算频谱时以 FFT 为核心的改进周期图法，这满足信号一致估计的条件。传统的频谱计算方法在幅值精确性和频率分辨率之间存在着折衷，本系统在考虑噪声信号特点的情况下，将二者在最大可能的情况下进行了改善。通过以上的构建，该系统可以准确地测试被测器件地输出噪声，传递函数，等效输入噪声电压，等效输入噪声电流和噪声系数等完整噪声参量。同时也实现了信号地单通道或双通道（两通道同时采集）连续采集，而频谱的采集按低频端（0.1Hz1kHz） ，中频段（1Hz10kHz） ，高频段（10Hz100kH
10、z） ，任意频段（跨越两个频段，起点由用户自定） ，全频段（0.1Hz100kHz）五种方式任意地选择。3 系统的功能和性能分析3.1 功能分析目前国内外已经将噪声用于电子器件的可靠性分析，即将噪声作为一种可靠性加严筛选的手段。为了提高噪声筛选的效率，本仪器设置了以下功能：噪声统计：自动对成批器件的噪声频度分布进行统计分析，根据统计分布的特征量（平均值和方差）确定噪声筛选的判据。此方法已对基准二极管、双极晶体管、MOSFET和集成运放等器件进行过实验验证，效果良好。噪声报警：可以分别对不同的噪声成分设置筛选判据，若检测发现某种噪声成分的表征量超过了允许范围，即进行报警。此方法已用于军用光电耦合
11、器件和基准二极管的可靠性评估。电子器件的低频噪声不仅可以用于可靠性加严筛选，而且可对器件的设计和生产工艺等提供关键的指导信息。因为电子器件的低频噪声反映了该器件内部的各种缺陷，包括各种应力引起的缺陷和器件潜在的本征缺陷，前一种缺陷的噪声检测方法要比传统的电参数检测更加敏感，更为重要的是后一种缺陷是用传统的电参数检测方法探测不到的。所以从这个角度来说噪声是一种无损的、更加全面的可靠性表征方法，这对生产厂商尤为重要。本仪器可对电子器件低频噪声的各个参量均能给予准确的提取。电子器件的噪声通常由白噪声，1/f 噪声和 g-r 噪声三种分量构成，其功率谱密度可以写成其中白 A 为白噪声幅度，B 为 1/
12、f 噪声的幅度， 为频率指数因子，C 为 g-r 噪声的幅度、f 0和 分别为其转折频率和指数因子。不同的噪声分量以及各个分量的不同表征参数往往具有不同的物理意义，对应与器件的不同结构特征与缺陷量。因此，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确的确定各个分量表征参数值，是对器件进行噪声物理分析的前提 5。如图 4 所示，这是一个 NMOS 管的实测噪声信号，频谱及其拟合曲线，拟合结果如下：白噪声幅度 A=0；1/f 噪声的幅度 B=1.7466e-008；频率指数因子 =1.1407。（a）（b）图 4：（a）时间序列， （b）频谱及其拟合曲线)(1)(0fffS43.2 性能分析利用本仪器
13、和国外通用仪器（EGG113前放，HP3582A 频谱分析仪）组建的噪声测试系统，分别对 5 种不同种类的半导体器件和集成电路进行了噪声参数测试，对比的结果表明其相对误差小于 5%（表 1） 。类型 基准二极管 三端稳压器 双极晶体管 MOSFET 运算放大器被测器件 型号 IN470 W78L09 3CG120C 集成 OP07名称 端噪声电压 谱密度 输出噪声电 压谱密度 等效输入噪声电流谱密度等效输入噪声电压谱密度等效输入噪声电压谱密度被测参数 单位 Hz/Vz/HVz/10Hz 5.67810-6 6.07110-5 2.76110-11 3.16010-5 1.02910-8本仪器数
14、据 10kHz1.54310-6 3.62110-6 3.21910-12 5.00910-7 7.82010-910Hz 5.92210-6 6.25710-5 2.66510-11 3.08810-5 1.06710-8对比仪器数据 10kHz1.49810-6 3.69210-6 3.32210-12 4.78210-7 7.90510-910Hz 4.12 2.97 -3.60 -2.33 3.56相对误差（%） 10kHz -3.00 1.92 3.10 -4.75 1.08表 1：典型频点的噪声参数对比4 结论电子器件的低频噪声不仅反映了器件由于各种应力引起的缺陷，而且反映了器件潜
15、在的本征缺陷。大量的国内外试验已经证明，对应力在电子器件中引起的缺陷的表征，噪声方法要比传统的电参数检测更加敏感，甚至在一些电参数尚未明显变化时，噪声参数已经变化了几个数量级；更为重要的是对于电子器件中潜在的本征缺陷是用传统的电参数检测方法探测不到的，同时常规的老化试验一般均为破坏性的，且成本高，周期长 4，6 。所以从这个角度来说噪声是一种无损的、更加全面的可靠性表征方法。本文介绍的一种基于虚拟仪器的电子器件低频噪声分析系与传统以通用仪器组建的测试系统相比，不仅成本比低，而且实现了电子器件低频噪声的实时、快速测量，并可对其各个表征参量进行准确的分析和提取。该仪器已经用于军用电子元器件的可靠性
16、筛选。参考文献1 Yiqi, Zhuang. and Qing, Sun. Correlation between 1/f noise and hFE long-term instability in bipoar devices. IEEE Trans.Electron Devices, 1991, 38, 2540-2547.2 Yiqi, Zhuang. and Qing, S. 1/f noise as a prediction of long-term instability in integrated operational amplifiers. Microelectron. & Reliability, 1996, 36, 189-193.3 庄奕琪等，电子器件可靠性的噪声表征方法，电子学报，1996.24 庄奕琪等，集成运算放大器参数时漂的 1/f噪声预测方法，电子科学学刊，1996.75 庄奕琪等，半导体器件中的噪声及其低噪声化技术（专著） ，国防科技图书出版基金资助，国防工业出版社 1993.10 出版6 庄奕琪等，微电子器件应用可靠性技术（专著） ，信息产业部军工基础局资助，电子工业出版社 1996.6 出版
