模拟电路故障诊断系统测量方法的研究硕士论文.pdf

吉林大学硕士学位论文 - i - 硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 吉 林 大 学 吉 林 大 学 作作 者者 吴建新 吴建新 论文分类号 TN911 单 位 代 码 10183 密级 内 部 研究生学号 2200617 吉 林 大 学 硕士学位论文 模拟电路故障诊断系统测量方法的研究 模拟电路故障诊断系统测量方法的研究 Study on a Measurement Approach in Fault Diagnosis system to Analog Circuit 作者姓名：吴建新 专 业：通信与信息系统 导师姓名 及 职 称 ：钱志鸿 副教 作者姓名：吴建新 专 业：通信与信息系统 导师姓名 及 职 称 ：钱志鸿 副教 论文起止年月： 2001 年 10 月至 2003 年 2 月 吉林大学硕士学位论文 - ii - 摘要摘要 大规模线性模拟电路的故障诊断和定位问题已经引起广泛的关注12，而 且是国内外专家在设计和使用电子系统的一大难题。本文将就这一问题展开 研究探讨，讨论了利用噪声电路分析诊断复杂模拟电路故障的方案，通过比 较电路输出噪声的测量和理论计算的值判断电路是否发生故障，并提出了具 体的故障检测方案，重点研究了诊断系统的测量方法，研制了电路输出噪声 功率谱的测量系统，该该系统以高性能数字信号处理器（DSP）为核心，利 用互功率谱测量电路的输出噪声， 利用分频段测量降低了低频段的测量偏差、 提高了频率分辨率。以上研究将为模拟电路故障诊断提供了新的理论依据和 测量方法，并有希望研制成功一套高效的检测设备。 吉林大学硕士学位论文 - iii - 目录目录 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言 1.2 国内外研究现状及发展 1.2.1 电路故障诊断方法发展现状 1.2.2 噪声分析理论发展现状 1.2.3 低频噪声测量系统现状 1.3 模拟电路故障诊断系统的结构和功能 1.4 本文的主要研究内容 第第 2 章章 模拟电路噪声分析方法的研究模拟电路噪声分析方法的研究 2.1 半导体器件缺陷与噪声的关系 2.1.1 半导体元件中的噪声 2.1.2 低频噪声用于半导体器件缺陷诊断的理由 2.2 噪声电路分析理论 2.2.1 噪声电路的功率叠加原理 2.2.2 噪声电路的谱分解方法 2.3 噪声二端口网络 En-In 噪声模型的建立 第第 3 章章 复杂模拟电路的故障诊断方法复杂模拟电路的故障诊断方法 3.1 用噪声分析方法分析复杂模拟电路 3.1.1 集成运放的严格 EnIn 等效噪声模型 3.1.2 复杂模拟电路输出噪声谱的推导 3.2 复杂模拟电路输出噪声谱的计算方法 3.3 噪声分析方法诊断模拟电路故障的原理与步骤 3.4 微弱低频噪声测量方法 3.4.1 采用超低噪声前置放大器 3.4.2 采用低噪声阻抗匹配变压器 3.4.3 系统噪声抵消方法 3.4.4 互功率谱测量微弱低频噪声的探讨 吉林大学硕士学位论文 - iv - 第第 4 章章 基于基于 DSP 的噪声谱测量系统研制的噪声谱测量系统研制 4.1 测量系统概述 4.2 测量系统各单元的设计 4.2.1 低噪声前置放大器设计 4.2.2 双通道 A/D 转换 4.2.3 采样控制单元设计 4.2.4 DSP 数据读入方法的讨论 4.2.5 片内外设总线冲突的解决方法 4.2.6 DSP 片内存储控制的方案 4.2.7 DSP 及周边硬件设计 4.2.8 DSP 电路抗干扰设计 第第 5 章章 实验、仿真与结果分析实验、仿真与结果分析 5.1 光电耦合器电路的诊断试验与分析 5.1.1 光电耦合器电路的诊断步骤 5.1.2 光电耦合器测量数据分析 5.1.3 测量系统用于光电耦合器的爆裂噪声检测 5.1.4 光电耦合器电路故障诊断总结 5.2 复杂电路诊断的仿真实验 第第 6 章章 论文总结与展望论文总结与展望 参考文献参考文献 致谢致谢 摘要摘要 I AbstractIV 吉林大学硕士学位论文 - - 第第 1 章章 绪论绪论 近年来，大规模模拟电路的故障诊断问题已经引起广泛的关注12，而且 是国内外专家设计和使用电子系统的一大难题， 。 本文将就这一类问题展开研 究探讨，通过理论推导和实验检验摸索出模拟电路的故障诊断方法，并研究 模拟电路故障诊断系统的测量方法，从而为构建模拟电路故障诊断系统奠定 基础。 1.1 引言 1.1 引言 模拟电路广泛应用于军工、通讯、自动控制、测量仪表、家用电器等各 个领域。 随着大规模模拟电路的发展 ,模拟电路的复杂度和密集度不断增长 , 对模拟电路运行可靠性的要求更为严格。在模拟电路发生故障后 ,要求能及 时将故障诊断出来以便检修、调试、替换。就半导体器件生产厂而言 ,也要 求能诊断出故障以便分析原因 ,改进工艺以提高成品合格率。对某些用于重 要设备的模拟电路 ,还要求能进行故障预测 ,也就是对模拟电路在正常工作 时的响应做持续不断的监测，以确定哪些元件将要失效，以便在模拟电路故 障发生前将那些将要失效的元件替换掉 ,避免故障发生。但是故障诊断是一 项十分复杂的困难的工作，虽然电子系统的故障诊断问题几乎与电子技术本 身同步发展，可是诊断的发展速度似乎要缓慢得多。在早期的诊断技术中， 电子系统的故障诊断基本上还是沿用传统方式，即依靠一些测试仪表，按照 跟踪信号逐点寻迹的思路，借助人们的逻辑判断来侦查系统中的故障所在。 这种诊断技术在很大程度与维修人员的实践经验与专业水平密切相关，而且 也没有一套可遵循的、科学的、成熟的办法。因而，电路故障的自动诊断成 为一个亟待解决的问题。自动故障诊断的关键在于诊断程序的产生，而诊断 程序产生的中心问题是电路故障诊断理论。 随着微电子工业的发展，人们逐渐认识到，对故障诊断问题有必要重新 研究，必须把以往的经验提升到理论的高度，同时在坚实的理论基础上，系 统地发展和完备一套完整严密的近代故障诊断方法，并结合先进的计算机数 据处理技术，实现故障诊断的自动检测、定位、定值以及预报5-7。在这个问 题上，我国的很多学者也在力图有所突破。由于我国的电子器件设计和制造 水平与先进国家还有很大差距，特别是在半导体元件的制造方面，无论从设 吉林大学硕士学位论文 - - 计水平还是工艺水平都比较落后，尽管世界各国的电子大厂都在大陆投资建 立了很多生产线，但由于技术保密等因素，我国难以获得其先进的工艺流程 和制造经验。而在国防、航天等高精尖领域所应用的关键部件又不能完全依 赖进口，国内的一些半导体厂生产的代替国外产品的元器件在性能和可靠性 方面与之还有一定差距，只能依靠大量的测试来筛选其中可靠性高的元件。 在这种环境和背景下，一套高效可靠的故障诊断系统是必不可少的。 相对于模拟电路，单个的器件的缺陷检测是一项较容易的技术，国内已 经有了一些有效的方法，如原吉林工业大学检测实验室已经多次成功的为长 征火箭等的关键部件进行了可靠性检测试验，取得了很好的效果。但是一个 电子元件在一个复杂的电路系统中,最初没有缺陷的元件或缺陷很小的元件 经过一段时期的工作,可能产生新的缺陷。 因此在模拟电路工作一定时间后还 要对器件进行可靠性检测。 这样就需要提出一种方法来对模拟电路检测,判断 电路元件是否产生故障,进而继续判断产生缺陷的元件。 目前还没有一种方 法能够有效地解决这个问题，特别是在电路包含有集成组件和电路结构复杂 的情况下。 在有了完整的诊断理论后，一套适用的测量系统也是必不可少的，它能 够完成理论向实际的转化工作，也是验证该理论正确性的手段。 综上所述，一套完整的诊断理论和测量系统进行模拟电路的故障检测和 元器件的缺陷检测，无论对器件的使用部门还是对器件的生产部门都是一项 非常有应用前途的工作。 1.2 国内外研究现状及发展 1.2 国内外研究现状及发展 复杂模拟电路的故障诊断是一个十分困难的课题，在实际应用中，由于 电路故障的不精确性和不确定性，更增加了诊断的难度。针对复杂电路的诊 断方法所涉及的研究领域，现从电路故障诊断方法、噪声分析理论和低频噪 声测量系统等几个方面来介绍当今的研究现状和发展趋势。 1.2.1 电路故障诊断方法发展现状电路故障诊断方法发展现状 近年来，国内外学者针对电路的故障诊断这一具有实际意义的问题展开 了全面的研究和谈讨，并陆续推出了一些新方法或新思想。 王巍、黄文虎、Patterson H.F.A.和 Iverson D.L.等学者采用的故障树最小 吉林大学硕士学位论文 - - 割集和最小路集的诊断方法23-25是从系统的可靠性和安全性出发来分析、计 算系统各单元的可靠度及其对整个系统的影响的一种方法。这种方法根据故 障树底事件的状态，将其分为正常底事件、故障底事件、未知底事件和可能 故障底事件等 4 个集合。这种方法兼顾了基于规则和基于定量模型诊断的优 点，在理论上解决了复杂系统的分割及诊断问题，但要解决单元的故障事件 的判断，还要进行大量的实用性研究。 文献5和10提出了模拟电路的故障诊断 L1 范数方法。经过进一步的研究 和探讨，一些学者认为 L1 范数方法存在明显的不足：(1) 问题的求解基于传 统的计算机数值算法，耗时长；(2) 无论以等效故障源为优化变量，还是以器 件参数为优化变量，都有一个重复的过程。当求得的是等效故障源时，需对 被诊断元件再次模拟，求得支路电压或电流，最后确定故障器件；当求得的 是器件参数增量时，由于求解时将故障诊断方程线性化，因而需要多个优化 过程和多次电路模拟，不适于实时性要求较高的场合。对此，文献9提出了 基于神经网络的线性电路故障诊断非线性 L1 范数优化方法，在 L1 范数方法 的基础上增加辅助变量，构造一个新的故障诊断非线性约束 L1 范数优化模 式，由一次优化过程得到的解定位最可能的故障器件。不过，非线性 L1 范数 优化方法要求故障器件参数增量远大于正常器件参数增量。 Lin PM和Elecherif YS的故障字典法426及雍正正8的模糊故障字典法属 于另一类故障诊断方法。应用这种方法时，通常借助计算机辅助电路分析， 模拟各种可能发生的故障，将模拟的结果存储在故障字典中。在进行故障诊 断时，将测量结果与故障字典中的模拟结果进行比较，从而发现故障所在。 由于电路元件有容差，测量结果和模拟结果会有偏差，对此文献8提出模糊 故障字典法。不过，模糊故障字典法需要计算每个潜在的故障因素的隶属度， 工作量之大可以想象，当系统稍许复杂时，建立加权故障字典将是一项艰难 的工作。 1.2.2 噪声分析理论发展现状噪声分析理论发展现状 有关噪声的研究最早由奈奎斯特(Nyquist)对电阻的热噪声及约翰逊 (Johnson)对电真空器件霰弹噪声的研究。电路中噪声的研究与计算是由弗里 斯(Friis)于 1944 年开始的27，到目前为止，国内外学者对半导体器件内部噪 声的物理机理的研究已经比较深入。而在噪声电路分析与计算、低噪声电路 设计的噪声测量技术等方面，戴逸松教授提出了许多新的见解，进行了充分 吉林大学硕士学位论文 - - 的研究和论证，获得了大量的、有理论和实际应用价值的结论。 目前，有关文献及论著中所论述的噪声分析方法有多种，用功率叠加方 法进行噪声分析是目前已被广为接受和利用的方法。以往噪声电路理论无法 解决存在大量噪声源电路的噪声计算及其无法考虑噪声相关性的问题，文献 47-49提出了电路噪声谱理论。从理论上讲该方法是完善的，噪声分析精度和 效率也明显提高。噪声谱理论的核心是四个噪声谱方程，即节点电压谱方程、 回路电流谱方程、割集电压谱方程和岔集电压谱方程。噪声谱理论的应用首 先依赖于待分析的电路噪声等效电路的建立，而目前关于电子器件噪声机理 的研究仍不完善，有些由制造工艺、材料等因素所决定的噪声难以用数学模 型描述，因此仅由电子器件局部噪声近似的经验公式计算所得的噪声源谱矩 阵还不能准确反应待分析电路内部噪声情况， 在实际应用中要考虑容差问题。 1.2.3 低频噪声测量系统现状低频噪声测量系统现状 低频噪声自动测量系统由于可以在许多领域中都有重要的应用，国内的 很多科研院所投入了相当的力量进行研制，取得了一些成果，已经有正在使 用中的测量系统，但这些系统在不同程度上存在着不足67：首先在噪声功率 谱密度（以下简称噪声谱）测量上，现有的大多数系统采用单通道工作方式， 得到的是被测器件的噪声单谱 Sn(f)，在器件的输出噪声较小时，精度不能令 人满意，测量误差将很大；其次，现有系统的硬件配置整体较低，主控计算 机的 CPU 在 386 以下，GPIB 接口卡的数据传输速度不到 100kb/s，不仅测试 效率低，而且一次测试时间过长，被测器件与测试系统的参数可能发生了变 化，影响测试精度；再次，由于硬件的限制，计算机的操作系统和开发环境， 也只能处于较低的水平。开发测试软件的周期长，效率低，开发出的软件界 面单一，操作繁琐，使用起来非常不方便， 而且至今还没有一套能够独立使 用的测量仪器。 1.3 模拟电路故障诊断系统的结构和功能 1.3 模拟电路故障诊断系统的结构和功能 针对目前模拟电路故障诊断系统的现状和不足，本次设计的模拟电路故 障诊断系统主要适用于由器件缺陷所引起的电路故障诊断和电子器件的缺陷 诊断，设计任务包括算法理论的研究和测试系统硬件部分的研制。诊断理论 主要基于噪声电子学中的噪声电路分析理论和电路网络分析原理。另外，系 吉林大学硕士学位论文 - - 统的硬件部分不仅可以完成本次设计的任务，还能作为一个信号采集和处理 系统应用于其他场合。图 11 为一个故障诊断系统的功能框图： 待 测 电 路 信 号 调 理 数 据 处 理 故 障 诊 断 显 示 诊 断 结 果 图 11 模拟电路故障诊断系统的结构图 系统将某一噪声特性参数作为分析的对象，所选的噪声特性参数要能够 尽量多的反映电路故障信息，通过低噪声放大器，A/D 转换器把信号送入数 据处理单元，对故障进行检测和诊断。系统所诊断的故障重点放在电路中元 件的缺陷或潜在缺陷引发的电路故障或潜在故障，而对电路拓扑结构方面， 如意外的电路短路、断路等硬故障，由于处理方法相对容易，而且也有了一 些比较有效的处理方法，因此不作为本系统的诊断重点。 根据噪声电子学的知识和低频噪声检测半导体器件缺陷理论及其在实际 中的应用，可以认为由电路中的器件缺陷所引发的电路故障也可以通过电路 的某一输出噪声特性参数来表征，通过对输出噪声特性参数的分析和处理是 能够达到诊断电路故障的目的。对电路输出噪声特性参数的测量可归为微弱 信号检测问题，它的有效方法是在信号的前向通道上采用一系列的低噪声处 理手段，如利用各种低噪声元器件、有效地屏蔽措施和抗干扰措施、合理的 电路结构设计等，在信号处理环节上采用随机信号的估计方法来获得信号的 特征参数。 1.4 本文的主要研究内容 1.4 本文的主要研究内容 本文的研究工作分为两部分：第一部分提出噪声分析方法诊断模拟电路 故障的理论和实现方法。在这一部分首先介绍了电子噪声的基本知识和复杂 电路的噪声分析理论，在此基础上提出了电路故障诊断的噪声分析方法，并 对其可行性进行了分析。第二部分是噪声测量系统的研制。这一部分首先分 析了微弱噪声信号的若干检测方法的特点并选定了本系统采用的检测方法， 吉林大学硕士学位论文 - - 详细介绍了本课题研制的噪声检测系统的硬件原理、组成及设计调试，最后 进行了模拟诊断实验。 本课题的主要工作包括： 1. 在已有理论基础上，提出了完整的模拟电路故障诊断方法和实现方 案。电子器件的噪声可以反映器件内部的缺陷，还能够预见器件的 潜在故障，利用这个特点诊断电路的故障和预测电路的潜在故障将 是一项很有前景的工作。 2. 提出一种利用 Pspice 分析程序作为计算电路的理论输出噪声功率谱 的方法，是已有的 Pspice 计算噪声的有益补充，使得电路的噪声分 析计算自动化程度有了提高，并编写了相应的程序。 3. 对已有的微弱信号测量方法进行分析比较，并详细分析了 FFT 互谱 分析法的误差，为测量方法的选择提供了理论依据。 4. 研制了实现本课题的硬件平台，该平台能够进行高速的数字信号处 理，如 FFT 运算、小波变换等。硬件平台以 DSP 为核心，外围器件 包扩 CPLD、A/D 转换器、高速数据/程序存储器、89C51 单片机等。 在具体的实现方法上，采用了合理高效的软硬件配置，提高了系统 的效率。完成了原理图和 PCB 板的设计与调试，使其正常稳定的工 作。 5. 进行模拟电路故障诊断的实验和器件爆裂噪声的检测试验。 吉林大学硕士学位论文 - - 第第 2 章章 模拟电路噪声分析方法的研究模拟电路噪声分析方法的研究 在绪论中已经阐述了模拟电路故障诊断的重要性，对模拟电路故障诊断 的现状有了了解，并且对噪声分析方法诊断模拟电路故障的理论和主要方法 也有了了解。本章将在此基础上首先介绍半导体器件缺陷与噪声的关系，接 着从噪声分析方法的基础部分展开论述，详细讨论噪声分析方法诊断电路故 障的原理，进一步论证此方法的可行性和优越性。 2.1 半导体器件缺陷与噪声的关系 2.1 半导体器件缺陷与噪声的关系 2.1.1 半导体元件中的噪声半导体元件中的噪声 电噪声是电子线路中普遍存在的一种物理现象，它起源于电子线路内部 组件的内在固有扰动。除了电阻的热噪声外，主要还有有源器件（晶体管、 场效应管及集成运放）内部的霰弹噪声、1/f 噪声及 GR 噪声。下面简要介 绍各类噪声的特点。 1. 电阻中的热噪声 奈奎斯特（Nyquist）已证明热噪声的功率谱密度为17： KTRfS4)(= (21) 其中 K 为玻尔兹曼常数（1.3810 23Jk） ；T 为电阻的热力学温度（k） ；R 为导体的电阻（） 。根据式(21)，热噪声的功率谱密度应为常数，但实际 上，在非常高的频率下，噪声的功率谱密度开始发生变化，表达式为18 hfRfS2)(= (22) 其中 h 为普朗克常数，这时的噪声由量子效应所引起，称为量子噪声。显然 量子噪声属于非白噪声，并与温度无关。但在我们的实际应用中，绝大多数 情况下可以认为热噪声为白噪声。 2. 电阻的过剩噪声 电阻中除了热噪声以外，还会产生一些附加噪声，因此电阻的实际噪声 比热噪声要大，通常把这些噪声称为过剩噪声。在这些过剩噪声中，主要是 低频噪声，它来源于电阻中导电微粒的不连续性，当电流通过不连续点时就 会产生火花，使电阻的电导发生变化，从而引起电流噪声。典型的低频噪声 吉林大学硕士学位论文 - - 具有 1f 噪声谱形式，又称为闪烁噪声或接触噪声，功率谱密度可表示为19 f RkI fS D e 22 )(= (23) 式中的ID为流过电阻的直流电流，当电阻中没有了直流电流时就不会有过剩 噪声。电阻的热噪声与接触噪声形成的机理完全不同，所以二者之间不存在 相关性，因此一个电阻的噪声电压谱密度为二者之和，即 f RkI kTRfS D e 22 4)(+= (24) 故一个实际电阻的低频段以 1/f 噪声为主，高频段以热噪声为主。 晶体管内部具有远比电阻热噪声复杂多的噪声机理，目前已经发现晶体 管内部噪声有热噪声、霰弹噪声、1/f 噪声、G-R 噪声等。 3. 双极晶体管霰弹噪声 双极晶体管、半导体二极管均属于结型器件，由于器件内载流子运动与 PN 结有关，因此这类器件的主要噪声源就是由于载流子越过 PN 结势垒引起 的霰弹噪声。载流子越过势垒进入基区的数量是一种随机过程，这就使得注 入基区的电子数目在其平均值附近发生随机起伏， 从而引起通过 PN 结电流的 霰弹噪声，凡是具有 PN 结的器件均存在霰弹噪声。 霰弹噪声引起 PN 结电流在其平均值附近随机起伏，因此真正通过 PN 结 的电流为 Iin(t)，其中 in(t)为散弹噪声电流。肖特基（Schottky）于 1918 年已经证明霰弹噪声具有白噪声性质，其电流噪声功率谱密度为16 qIfSi2)(= (25) 式中 I 为通过 PN 结的平均电流；q 为电子的电荷量 1.610 -19C；I 由 I 1和 I2 两部分组成，I1为多数载流子的正向扩散运动，I2为反向饱和电流，属于少 数载流子的漂移运动。 4. 双极晶体管低频噪声 凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可以称为 1/f 噪声， 这 种噪声在电子器件中普遍存在，对器件的低频噪声性能好坏起关键作用。目 前已经发现了两种低频噪声，即闪烁噪声（1/f 噪声）及 GR，这些噪声通 常与晶体管表面状态或内部缺陷有关，以成为对器件的质量评估及可靠性预 测的重要指标。1/f噪声的功率谱密度的表达式为： 吉林大学硕士学位论文 - - f Iqf fS BL i 2 )(= (26) 晶体管中产生这种噪声的原因一般认为是由于器件表面清洁处理不好， 或有内部晶格缺陷引起的。晶体管的 1/f 噪声主要集中在发射结，通常认为 是发射结及基极并联的电流噪声源。 在半导体器件中，存在着能发射或俘获载流子的各种杂质形成的陷阱中 心。由于这些陷阱中心对载流子的发射和俘获是一种随机现象，从而引起器 件的工作电流中的随即起伏,称为产生复合(G-R)噪声15,其功率谱密度的 表达式为: 2 0 )(1 )( f f KI fS b i + = (27) 当双极晶体管具有严重的 G-R 噪声时，称为爆裂噪声。爆裂噪声是有一 种幅度较大而脉冲宽度不相等的随机脉冲构成。爆裂噪声每秒仅几百次甚至 每分才一次，因此称为低频噪声。图 21 是典型爆裂噪声波形图： -100 -50 0 50 100 150 200 250 ms mv 图 21 爆裂噪声波形图 2.1.2 低频噪声用于半导体器件缺陷诊断的理由低频噪声用于半导体器件缺陷诊断的理由14 国内外学者通过研究和实验证明了主要是器件的低频噪声能够反应器件 的内在缺陷。用低频噪声来对器件内在缺陷做出诊断，是指估计器件内部的 Si-SiO2接口附近的氧化层陷阱、 PN 结附近的杂质及晶格缺陷、大规模集成电 路内部铝膜连线的缺陷及电迁移激活能等，它们是引起半导体器件工作中失 吉林大学硕士学位论文 - - 效的主要原因。由于器件的常规可靠性试样方法要求在高温、大功率情况下 进行，容易引起器件的损伤，特别是这种寿命实验方法要花大量的时间及人 力，得到的是一批器件的平均寿命或失效率，而不能对单个器件的质量及可 靠性做出明确的估计。因而随着低频噪声机理及测试方法的研究深入展开， 低频噪声的测试与分析正在成为半导体器件寿命预测及可靠性评估的一种新 的手段，其主要原因是这种方法具有快速、简便、非破坏性等优点，从而引 起广泛的关注。 低频噪声可以用于器件内在的缺陷的诊断并对其可靠性做出评估的主要 依据是： 每个器件虽然存在热噪声、 霰弹噪声及 1/f 噪声。 但当器件的 Si-SiO2 表面、PN 结及沟道内部存在缺陷时，实际噪声将会有显著增加。为此前者 一般称为基本噪声， 而后者则称为过激噪声。 这种过激噪声的主要形式为 1/f 噪声及 G-R 噪声，严重时会出现爆裂噪声，在 PN 结临近反向击穿去附近还会 出现白噪声显著增加。因此只要能测到器件的过激噪声，我们就有可能分析 期间内部缺陷性质，评估其量级，并对器件的可靠性做出预测。原吉林工业 大学检测实验室以多次利用这种方法对国内多家半导体厂生产的期间进行缺 陷检测，及时发现了一定量的缺陷元件和具有潜在缺陷的元件，通过检测的 器件已用于国防、航天等高端领域。 2.2 噪声电路分析理论 2.2 噪声电路分析理论 在讨论噪声分析方法诊断模拟电路故障的原理之前，有必要对电路的噪 声分析理论做下介绍。 2.2.1 噪声电路的功率叠加原理噪声电路的功率叠加原理 1. 噪声相关系数噪声相关系数 在线性模拟电路中，组成电路的元件有电阻、晶体管或场效应管等。对 于不同的元件之间因为其噪声的产生机理不同，所以可认为它们之间的噪声 是不相关的 ，但对于同一个器件内的几个噪声源（如晶体管等）产生的噪声 通常是相关的，因此在精确计算噪声功率时必须考虑相关性。 设)t ( e1 、)t ( e2 分别为两个噪声源产生的输出噪声电压，)t ( e1 、)t ( e2 吉林大学硕士学位论文 - - 的相关系数 C 为 C ee ee 2 2 2 1 21 式中e 2 1 、e 2 2分别为 )t ( e1 、)t ( e2 的噪声功率。当)t ( e1 、)t ( e2 不相关时，C 0，当)t ( e1 、)t ( e2 相关时，C0。确定 C 的大小就可以精确计算电路的噪 声功率。 2. 噪声功率叠加原理噪声功率叠加原理 对于一个复杂电路，可以利用线性电路叠加原理来得到它的噪声功率叠 加原理。 线性电路叠加定理：在线性电阻电路中，任一支路电流（或支路电压） 都是电路中各个独立电源单独作用时在该支路产生的电流（或电压）之叠加。 当一个复杂电路内部含有几个噪声源共同作用时，可把噪声源看作电源，下 面从一个结构简单的电路推导： 即设)t ( e1 、)t ( e2 分别为两个噪声源产生的输出噪声电压，e 2 1 、e 2 2 分别为 )t ( e1 、)t ( e2 的噪声功率, )t ( e 、e 2 为总的输出噪声电压和噪声功率， EEE 21、 为噪声功率的有效值，根据电路叠加定理和噪声相关系数公 式有 )t ()t ()t ( eee 21 += (28) 输出噪声功率e 2 为 ()t ()t (2)t ()t ()t ( eeeeeee 21 2 2 2 1 2 21 2 +=+= (29) 即 EEEEE21 2 2 2 1 2 C2+= 吉林大学硕士学位论文 - - 2.2.2 噪声电路的谱分解方法噪声电路的谱分解方法3 1. 用噪声的随机谐波分量计算功率谱密度用噪声的随机谐波分量计算功率谱密度 实际的电路往往是由电阻和电容、电感等元件构成，电噪声源到输出端 的传递函数是与频率有关的，因此直接计算输出端的噪声电压来求得功率是 很困难的，必须首先算出噪声功率谱密度，然后才能计算噪声功率。要计算 电路中的噪声功率谱密度，就要对随机信号进行谱分解，运用交流电路中的 复数符号法计算电路中各点的随机谐波分量，最后再求出相应的噪声功率谱 密度。 设时间为Tt 0范围内，对噪声电压)(te做傅立叶级数分解，则 = = i n )n( )tjexp(E)t ( e 其中：, 2, 1, 0,/2=nTn n , )(n E称为随机变量)(te的 n 次随机谐波 分量，有 = T 0 n )n( dt)tjexp()t ( e T 1 E 随机变量的功率谱密度)(fSe与随机谐波分量 )(n E之间存在以下关系20， = )n()n( T e EET2)f(S lim (210) 式中 )(n E、 )(n E为共轭复数量，由于)(te是随机变量，因此求)( fSe时要对随 机谐波分量乘积 )()(nn EE取统计平均值。最后得到噪声功率： dffSte eE = 0 2 2 )()( 2. 噪声功率谱相关系数噪声功率谱相关系数 用谱分解方法计算噪声时，噪声相关系数不再适用，必须用噪声功率谱 吉林大学硕士学位论文 - - 相关系数。 设有两个相关噪声源)( 1 te、)( 2 te，它们在Tt 0时间内表示为 = = i n n tjEte)exp()( )( 11 = = i n n tjEte)exp()( )( 22 式中 )( 1 n E， )( 2 n E为)( 1 te、)( 2 te的随机谐波分量，令)( 1 fSe、)( 2 fSe为)( 1 te、 )( 2 te的功率谱密度， 称为自功率谱密度。 并引入互功率谱密度表示)( 1 te、)( 2 te 的相关性，即 = )( 2 )( 121 2)( lim nn T ee EETfS (211) =)(2)( 21 )( 1 )( 212lim fSEETfS ee nn T ee (212) 在引入互谱密度后，定义两个噪声源谱密度之间的相关性可用谱相关系数 表示 )()( )( 21 21 fSfS fS ee ee = 谱相关系数为一复数量 21 j+= 其中 )()( )( 21 21 1 fSfS fSR ee eee = )()( )( 21 21 2 fSfS fSI ee eem = 应用谱相关系数可以解决 R、L、C 电路中多个相关源作用下的输出噪声功率 谱密度。下面推导含有两个噪声源的电路输出噪声谱表达式。 设)( 1 te、)( 2 te为电路两个相关噪声源产生的输出噪声，)(te为总的输出 噪声， )( 1 n E、 )( 2 n E、 )(n E为分别的谐波分量，有下列关系成立 += )( 2 )( 1 )(nnn EEE 由功率谱密度与谐波分量的关系式(2-10)、式(2-11)、式(2-12)得 吉林大学硕士学位论文 - - +=)( )()( )()()()( )()( limlim n 2 n 1 n 2 n 1 T nn T e EEEET2EET2fS += )()()()()()()()( limlimlimlim n 1 n 2 T n 2 n 1 T n 2 n 2 T n 1 n 1 T EET2EET2EET2EET2 )()()()(fSfSfSfS 1e2e2e1e2e1e += (213) )(Re2)()( 2121 fSfSfS eeee += )()(2)()( 21121 fSfSfSfS eeee += (214) 2.3 噪声二端口网络 En-In 噪声模型的建立 2.3 噪声二端口网络 En-In 噪声模型的建立 一个复杂电路中包括反馈电路、偏置电路、级联电路等，因此可以把一 个复杂电路看作是一些二端口网络连接而成，这样可以利用噪声二端口网络 的等效模型来分析模拟电路。即把二端口网络内部的噪声源等效为放置在端 口的等效噪声源表示，可以简化对复杂噪声电路的噪声计算。下面给出二端 口 EnIn 噪声模型的等效关系。 EnIn 噪声模型EnIn 噪声模型： 参考文献1112首先提出了噪声二端口网络的 EnIn 模型。如图 2-2， 它把网络中的噪声源均折合到输入来考虑。分别对 a,b 的输入端 1-1开路， 2-2短路 则在 2-2支路中产生的电流应相等，即 噪声网络无噪声网络 1 1 2 2 1 1 2 2 En In a b 图 22 EnIn 噪声模型 吉林大学硕士学位论文 - - = = m k k k n f i n UH AI 1 2 )( )( )( 式中)( f Ai 为 11端加电流在 22支路中产生的电流之比，H k2 为 网络内噪声源U k 在 11开路，22短路时在 22支路中产生的电流 之比， 应用噪声电路的谱分析方法可得等效到输入端的电流噪声功率谱密度： += = = = m k m sk s kssk m k kk i i ff f f SHHSH A S 11 22 1 2 22 )()( )( 1 )( (215) 同理，对输入端 11短路，22短路，则在 22支路中产生的电流应 相等，即 = = m k k k n f u n UY AE 1 2 )( )( )( 式中)( f Au 为 11端加电势在 22支路中产生的电流之比，Y k2 为网络 内噪声源U k 在 11短路， 22短路时在 22支路中产生的电流之比。 等效到输入端的电压噪声功率谱密度 += = = = m k m sk s kssk m k kk u e ff f f SYYSY A S 11 22 1 2 22 )()( )( 1 )( (216) 用类似方法可以得到相关功率谱密度 = = = m k m sk s kssk iu ei f ff f SYH AA S 11 22 )( )()( 1 )( (217) 关于)( f Se 、)( f Si 、)( f Sei 的求解将在后面章节讲述。 吉林大学硕士学位论文 - - 第第 3 章章 复杂模拟电路的故障诊断方法复杂模拟电路的故障诊断方法 3.1 用噪声分析方法分析复杂模拟电路 3.1 用噪声分析方法分析复杂模拟电路 一个复杂的模拟电路中除了基本的分立元件外，一般还要用到一些集成 元件。常用的集成元件可以看作是由很多晶体管、场效应管和电阻器组成， 虽然这些器件内部噪声模型可以知道，但是集成元件电路拓扑结构复杂，元 器件数目众多，通过计算这些晶体管、场效应管和电阻器的噪声来得到集成 元件的噪声参数比较困难，而且集成元器件内的噪声源难以给出其准确的噪 声参数，往往要忽略某些成分和参数，这样将影响集成元件噪声计算的准确 性和可靠性，也难以满足整个电路系统噪声计算的准确性和可靠性。因此有 必要建立一个准确的集成元件噪声模型，来解决上述问题。模型中的参数可 能难以用理论计算的方法获得，一般要通过大量的实验来获得精确的参数。 根据电路理论，可以把一个集成原件看作一个二端口电路网络，这样就 可以利用二端口电路网络等效噪声模型来简化含有集成元件的模拟电路的噪 声特性。 通过上面的介绍可知 EnIn 模型是把网络中的噪声折合到输入来考 虑，因而经常用于放大器噪声分析、比较及低噪声设计。 3.1.1 集成运放的严格集成运放的严格 EnIn 等效噪声模型等效噪声模型 以常见的运放为例，如图 23，一般认为 En1、In1，En2、In2 为两组相 关性噪声源，但这两组噪声源之间是相互独立的，在实际应用中，通常可根 据集成运放正负输入端的对称性，认为 En1En2。 En1 En2 In1 In2 r r 图 23 运放完整噪声模型 吉林大学硕士学位论文 - - 图 24