（材料学专业论文）电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制.pdf

摘要 摘要 本文采用以微机为测试平台的“虚拟仪器”方式，搭建了电子器件测量分析 系统。根据实验室的电子器件低频噪声和常规电参数实际测试分析的需要，对实 验室的原噪声采集分析软件进行了升级，并且研制了一套基于虚拟仪器的电子器 件电参数测试分析系统。文章的主要工作成果包括： l 、基于最新的数据采集卡的驱动，实现了噪声信号的连续采集，保证了信号 的正确性。 2 、对噪声分析系统加入了硬件保护功能和“软滤波”功能，并且使原系统合 理的利用了计算机资源。 3 、基于计算机，通过g p i b 卡和r s - - 2 3 2 总线实现了对源测量单元等仪器的 控制。实现了二极管、三极管、场效应管等器件的电参数测试和分析。 4 、将自行研制的电参数测试分析系统的实际测量结果与国外通用仪器测量结 果相比较。对比结果表明，本系统测量结果有着很好的可信度，可以用于电子器 件电参数的测量和分析。 关键词：虚拟仪器噪声测试电参数测试测试系统 a b s 仃a c t a b s t r a c t t h em e t h o dw eu s et ob u i l du pt h ee l e c t r o n i cd e v i c e st e s t i n gs y s t e mi nt h i sp a p e ri s aw a yb a s e do nt h ei d e ao fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，i nw h i c hac o m p u t e ri st a k e na sa p r i m a r yp a r t a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lt e s t i n gr e q u i r e m e n t so fn o i s ea n de l e c t r i c a l p a r a m e t e r si no u rl a b ，t h en e wn o i s et e s t i n gs o f t w a r es y s t e mi sb u i l tu pb a s e do nt h e o l do n e ，a n da ne l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s t i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mo fe l e c t r o n i cd e v i c e s b a s e do nt 1 1 ei d e ao fv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o ni sd e v e l o p e d v a l u a b l er e s u l t sa r eo b t a i n e d i nt h i sp a p e r , s u c ha sf o l l o w s ： 1 t h en e wn o i s et e s t i n gs o f t w a r es y s t e mb a s e do nt h el a t e s td r i v e ro ft h ed a q c a r dc a ns a m p l et h en o i s es i g n a l sc o n t i n u o u s l y , a n dt h e r e f o r e ，t h ec o r r e c t n e s so ft h e n o i s es i g n a l si sg u a r a n t e e d 2 t h ef u n c t i o no fh a r d w a r e - p r o t e c t i n ga n ds o f t w a r e f i l t e r i n ga l ea t t a c h e dt ot h e n e wd e s i g n e dn o i s et e s t i n gs y s t e m t h ec o m p u t e r sr e s o u r c e sa r eu s e dm o r ee f f i c i e n t l y i nt h ei m p r o v e ds y s t e m 3 w ec o n d u c tc o n t r o lu p o nt h et w op i e c e so fa p p a r a t u s ，w h i c ha r e2 3 8s o u r c e - - m e a s u r e - - u n i ta n dl p s 3 0 4l i n e a rp o w e rs u p p l yr e s p e c t i v e l y , t h r o u g hg p i ba n dr s 一 2 3 2 b u so nac o m p u t e rp l a t f o r m w ep e r f o r mm e a s u r e m e n t sa n da n a l y s i so ft h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fav a r i e t yo fe l e c t r o n i cd e v i c e ss u c ha sd i o d e s ，t r a n s i s t o r s ，a n d f e t s 4 t h er e s u l t so f t h em e a s u r e m e n t sa r ec o m p a r e db e t w e e nt h es e l f - d e s i g n e ds y s t e m a n dt h o s eo ft h ec o m m o n l yu s e da p p a r a t u s i ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m e r s y s t e mo u t w e i g ht h el a t e ro n e s ，w h i c hm e a r l s i tm i g h tb em o r ep r e f e r a b l ei nt h e m e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so f e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so f e l e c t r o n i cd e v i c e s k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n ，n o i s et e s t i n g ，e l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s t i n g ， t e s t i n gs y s t e m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所列的内容外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均在论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名；垂丝日期：兰竺z ：兰兰 关于论文使用授权说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属西安电子科技大学本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然为西安电子科技大学学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采取影印、缩印或其他手段保存论文( 保密的论文在解密后遵守 此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书 本人签名：垂型 导师签名：丝日期：颦：厶墨芝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子器件低频噪声和常规电参数检测的意义 电子整机一般由大量的电子元器件构成，系统则由多台电子整机组成。在整 机和系统中的电子元器件通常是一种可靠性串联模型，即一只电子元器件的失效 就有可能导致整机和系统丧失局部乃至全部功能。对于大量使用电子元器件的大 型整机和复杂系统来说，这一问题更为突出。因此可以说电子元器件的质量是整 机和系统可靠性的基础 电子器件( 包括半导体分立器件和集成电路) 的内部噪声( 特别是低频噪声) 和常规电参数是制约器件灵敏度和检测精度的关键指标，同时也是表征器件质量 和可靠性的重要敏感参量对电子器件内部噪声的检测与分析是电子器件可靠性 保证的一个有效手段，因此，我国已颁布的有关国家标准、行业标准中，已把噪 声参数规定为有关器件的必测指标【l 】 噪声为半导体材料和器件的无损检测提供了一种理想的工具，对噪声的检测 和分析是对电子器件进行可靠性评价和筛选的一种简单而有效的方法1 2 5 。这种方 法有以下优点； ( 1 ) 普遍适用性几乎所有的电子元器件和电子系统都能观测到电噪声电 噪声根据特性和产生机制可以分为白噪声与过剩噪声白噪声与频率无关。过剩 噪声在低频段显著，通常包括1 f 噪声与g - r 噪声，主要是由材料或器件的不完整 性决定的。 ( 2 ) 高度灵敏性噪声实际上是系统物理量的瞬时值对于平均值的偏离。当 元器件中材料的微观结构、电子状态或杂质分布有微小变化时，噪声都会有明显 的变化 ( 3 ) 非破坏住噪声测量所加的电流和电压，非常接近于器件正常工作的应 力水平，故噪声测试是无损的。 ( 4 ) 检测速度较快噪声检测属于电学检测，不仅对环境和检验条件要求不 高，而且与一般可靠性评估实验相比检测速度较快 对电子器件中的低频噪声的检测是表征器件的性能指标的一个有力手段，而 对常规电参数的检测和分析更是电子元器件生产和研究过程中所必不可少的关键 环节各个电子元器件研制单位都将常规屯参数测试作为一种例行方法，来对出 厂电子元器件产品进行性能检测、可靠性评估、可靠性诊断和可靠性加严筛选 虽然噪声作为一个新的评估指标已经被很多元器件生产和研究单位所采用，但是 2电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制 目前最普遍的方法还是通过对电子器件常规电参数的检测和分析来评估产品的质 量。 综上所述，不论是分析电子器件的噪声参量还是常规电参数，都要用相应的 手段对噪声信号和电参数进行测量、采集、处理、分析等所以，将电子器件的 低频噪声和常规电参数简单且正确的检灏出来并用福应的处理方法将箕处理、分 析，就成为了评估一个电子元器件质量和可靠性的重要前提条件1 6 7 l 。 1 2 噪声和常规参数测试分析的国内外现状 由于我国的半导体产业发展远远落后于发达国家和地区，国内生产的半导体 器件多属中、低档产品，并且质量一致性水平较差，可靠性低。国内的进口元器 件市场管理不规范，经常有一些劣质的假冒产品( 俗称“电子垃圾” 混在进口电 子元器件当中。国内的电子元器件测试尚未形成产业，没有社会化的供应中心向 社会全面提供有质量保证的电子元器件，因此电子元器件的使用单位( 整机的研 究所和生产企业) 不褥不各自投入大量的资金、设备、人力来对使用的电子元器 件进行测试和筛选，由此来保证整机和系统的可靠性，这也是我国近年来的特殊 测试体制和模式随着我国半导体工业的发展和测试产业的发展。对电子元器件 的测试，筛选将由专业的、社会化的电子元器件测试、供应中心来完成。 早期的电子元器件参数测试由传统的测试仪器完成，传统的测试仪器需要根 据被测器件和被测参数的要求，手工设置所需的测试条件，通常由仪器面板上的 开关、电位器等面板元件来完成设置。测试结果由仪器面板上的指针式或数字式 表头进行显示，由人工对测试结果进行判读，测试不同的参数有时也需对面板元 件进行重新设置，如需保留测试结果也需人工读取数据后手工记录。因此测试效 率低，无法实现自动化测试。还容易造成人为的操作，判读、记录错误。 在研制噪声和常规电参数分析仪时，可以有两种构建方式一种是以通用仪 器为测试平台的构建方式此类仪器，若采用进口仪器则价格昂贵，若自行研制 难度甚大，而且适用性差。另外，此类系统的可升级性差，测试分析是一个正在 发展中的技术，系统的不断升级换代是不可避免的。而采用这种方式时，系统的 功能扩展往往受到系统硬件的限制。 另外一种测试系统我们可以将其称为。智能化测试系统”它将微机引入到电 子元器件测试仪器当中，通过软件编程完成对测试条件和合格判据的设置，测试 过程可实现自动化。即根据每一参数的要求，可以自动完成测试条件的设置、数 据的判读、不同参数的切换、测试数据的存贮和打印等这类系统通常己基本上 取消了面板元件，所有操作都通过微机完成。系统具有很高的测试效率和自动化 第一章绪论 3 程度 智能化电子元器件测试系统通常有以下几种形式： ( 1 ) 采用单片机、单板机的简单测试系统 ( 2 ) 采用专用微机的一体化测试系统 ( 3 ) 通用微机管理非智能测试仪的测试系统 ( 4 ) 更换测试头的综合元器件测试系统 ( 5 ) 多个测试头分时工作的测试系统 ( 6 ) 通用计算机管理智能化测试仪的两级分布式测试系统 相比之下，通用计算机管理智能化测试仪的两级分布式测试系统具有更好的 综合性能而从智能化系统中又演化出来一种国际上开始流行的以微机为测试平 台的“虚拟仪器”方式，它有以下好处； ( 1 ) 性能价格比高对噪声的测试控制和分析处理主要是采用微机中的软件 来完成，无需配置频谱分析仪和数字示波器，从而大大降低了整个系统的成本 ( 2 ) 功能覆盖面广在噪声时间序列信号被采集到微机中之后，已完全数字 化，可通过软件编程进行各种分析，如进行f f t 变换实现功率谱分析，进行子波 变换进行极大值系列分析，通过物理建模进行缺陷分析，通过统计计算进行可靠 性分析等 ( 3 3 系统可升级性好由于这种方式的功能扩展和性能改进主要是通过修改 和完善控制与分析软件来实现，所以系统很容易升级换代。 由于我国i c 产业的落后，与之相关的测试系统就技术上来说也落后发达国 1 5 2 0 年就测试系统的性能来说，数字系统的通道数、时钟频率、定时精度和 模拟系统的精度、范围、稳定性、适应性等方面国外系统有较大的优势，系统的 可靠性国外系统也优于国内系统。但辨证地看，国内也有一些性能良好的测试系 统，在性能价格比上有很强的竞争力 ( 1 ) 国内系统的测试软件更贴近国内客户，不象国外系统的测试软件对编程 人员有更高的要求很多国内用户买了国外系统不能很好应用，原因主 要在此 ( 2 ) 国内系统一般可随机提供器件测试程序，而国外系统需用昂贵的价格购 买器件测试程序 ( 3 ) 国内的系统供应商就是系统的开发和生产商，因而有条件向用户提供良 好的技术支持和服务。而国外系统采用代理制，很多代理商无法向用户 提供满意的服务而且配件价格和保修期满后的维修价格高得惊人 4 电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制 1 3 本论文工作内容 本论文主要完成了对电子器件低频噪声分析平台软件部分的升级和电子器件 常规电参数自动测试分析系统的设计与研制： 1 电子器件低频噪声分析平台软件部分的升级 ( 1 ) 实现了噪声信号的连续采集，保证了信号的正确性，为后面对信号进行 分析打下了坚实的基础； ( 2 ) 实现了“信号幅值过大时报警保护”功能，避免了数据采集卡因外部信 号的幅值过大而烧毁的危险： ( 3 ) 加入了数字滤波功能，弥补了原系统的模拟滤波对环境适应性较差的缺 陷，并使滤波参数的调整更方便； ( 4 ) 对软件进行了大量的人性化的修改，使之操作和界面更方便易用，也合 理的利用了计算机系统资源； 2 电子器件常规电参数自动测试分析系统的设计和研制 ( 1 ) 以外围仪器( 2 3 8 源测量单元) 的主要功能为主线，实现其自检、初始 化、直流输出、固定电平扫描、线性阶梯扫描、固定电平脉冲扫描、线 性脉冲扫描、对数阶梯扫描、对数脉冲扫描、单独作为测量单元等功能： ( 2 ) 以目前较常用的电子元器件的电参数测试需要为主线，实现了二极管、 三极管、场效应管等器件的电参数的测试和分析。 第二章电子器件噪声理论与检测系统基础 5 第二章电子器件噪声理论与检测系统基础 2 1 1 噪声基础 2 1 半导体器件低频噪声基础与检测系统 噪声1 2 1 来源于物理量的随机起伏。随机起伏的物理量称为随机变量，记为x ( 1 ) ， 其中t 为时间。在任一瞬间，不能预知随机变量的精确大小，但是大多数随机变量 遵循一定的统计分布规律。随机变量的统计值恒为零，故多用均方值表征其大小。 形成噪声的物理机构通常称为噪声源如果噪声源的性质不随时间而变化， 那么表征该噪声的随机变量的统计特性也不随时间而变化这种随机变量称为平 稳随机变量半导体器件中的噪声基本上都属于平稳随机变量此外，若随机变 量连续取值，则称为连续随机变量；若随机变量离散取值，则称为离散随机变量。 半导体器件中的噪声，一般是按照物理机构的不同来分类的，可分为热噪声， 散粒噪声，g f 噪声和l f 噪声四大类，每一类又可根据不同的情况分为若干小类， 如图2 1 所示 半导体器件噪声 低频噪声 ( 有色噪声) 矿噪声 1 f 噪声 二三： 二二：声 图2 1 半导体器件中噪声的分类 由于噪声产生的机理与器件的结构紧密相关，所以在不同结构的器件中，各 种噪声的相对强弱有着很大的差别p n 结二极管和双极晶体管在中高频区以散粒 噪声和热噪声为主，前者更为重要；在低频区则以u f 噪声为主m o s f e t 的班 淹 漪 声 噪 噪 噪 声粒 粒 逊 噪散 散 翰 散频 频 约 扩低 高 rt rt 声 声 噪 噪 粒 热 数 、-(、 声噪 白 6电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制 j双极晶体管t三。猝发噪声， 翩将髂弋m o s f e t 銎 l 脚丁觯声震：薹： l 【热噪声 薹耋冀萎： 2 1 2 噪声检测系统基本原理 在研制噪声分析仪时，可以有两种构建方式一种是以通用仪器为测试平台 的构建方式，如图2 3 所示另一种是采用微型计算机为主体的系统构建方式，如 图2 4 所示。这是一种目前国际上开始流行的以微机为测试平台的“虚拟仪器”方 式。这两种方式在前人工作中已经有所描述，此处不作过多介绍【l i 第二章电子器件噪声理论与检测系统基础 7 图2 3 以通用仪器为平台的噪声测试分析系统的构建方式 图2 4 以微机为平台的噪声测试分析系统的构建方式 2 2 半导体器件常规电参数检测系统 2 2 1 常规电参数检测系统简介 为了实现电子器件电参数的测量与分析，需要对被测器件施加一定的或者一 系列变化的电压或者电流，使其处于我们所需要的测试状态。而在相应的端口测 量其输出的电参数，进而加以分析，来确定电子器件的性能。测量与加电要求有 着很好的同步性，以满足电参数的实时测量。这就要求仪器本身能够在作为源的 同时，还可以同时进行测量我们将这类既具有电压源( 电流源) 功能，同时又 具有测量功能的仪器单元称为源测量单元。例如：t e k t r o n i x3 7 0 b 是t e k t r o n i x 公司 生产的一款可编程特性曲线图示仪，可以提供o 2 0 0 v 的电压和最小1 0 0 p a 的 电流。其核心部分为两个电源( 集电极电源v c 和阶梯波发生器s g ) ，和两块表( 水 8 电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制 平和垂直轴的采集和显示) ，它们之间相互组合可以测量二端、三端和四端半导体 器件的电参数i s 。从外表看上去，它既具有源的功能，又能同时进行测量。所以， 它在某种意义上也属于源测量单元，如图2 5 所示再比如a g i l e n t 公司生产的 h p 4 1 5 6 b 精密半导体参数测试分析仪，其内部核心是由几个源测量单元构成，它们 相互配合进行更复杂的电参数测量【9 l 。 图2 5t e k t r o n i x 公司生产的可编程特性曲线图示仪t e k l r o n i x3 7 0 b 2 2 2 源测量单元基本原理 源测量单元是目前在电子器件电参数测量领域的一个比较典型的应用仪器。 顾名思义，源测量单元( s m u - - s o u r c em e a s u r eu n i t ) 就是同时具有源和测量两种功 能的仪器。在测量仪器上附加电流源和电压源功能，为各种低电平测量提供了额 外的灵活性例如：很高的电阻值可以通过在其两端旌加电压而同时测量流过的 电流值来获得。增加了源功能的s m u 显然较使用几台独立的仪器更方便，更适用 于产生，一y 特性曲线的半导体芯片和其它器件的测试方面【埘。 典型的源测量单元可以提供以下几种功能：电压测量、电流测量、电压源、 电流源这些功能可以单独使用也可以按照下列方式组合使用：作为电压源的同 时测量电流，或者作为电流源的同时测量电压 源测量单元的许多特性类似于静电计，因此它适用于低电平测量其输入电 阻非常高( 典型值为1 0 0 t 或更高) ，做高源内阻电压测量时减小了电路的负载误 差。极小电流测量灵敏度类似于皮安表，有的甚至低于1 0 f a 。 源测量单元的另外一个重要特性是其扫描功能。无论电压还是电流均可以特 定的增量在指定的量程内进行扫描，同时测量每一个阶梯的电流或者电压值。源 第二章电子器件噪声理论与检测系统基础 9 测量单元内置的“源一延迟一测量”循环周期可以使得测量最优化，以保证测量 所需要的足够的建立时间和测量的完整性。 下面以k e i t h u 公司的2 3 8 源 测量单元为例来说明源测量单元的 结构和工作原理。图2 6 为三个2 3 8 源测量单元的外观，可以看到前面板 上有数字显示屏和各种开关、按键。 源测量单元最基本的模型如图 2 7 所示，当设置为“电压源”的时 候电流表b 串联在电压源 v s o u r c e 和输出之间；当设置为“电 图2 6 美国k e i t h i l ! y 公司的2 3 8 源测量单元流源”的时候，电压表v 唧哑并联在 电流源k 帆疆和输出之间l l ”。 图2 7 源测量单元的基本模型 誊 2 3 8 源测量单元设置了“范围”的概念，不同的范围对应不同的输出测量灵 敏度，即仪器能够探测的最小电压，电流值。电压值有1 5 0 0 0 v 、1 5 0 0 0 v 、 1 1 0 0 0 v 三个范围。电流值从土1 0 0 0 ( h t a 开始，以1 0 倍为间隔划分范围，即 1 0 0 0 0 n a 1 0 0 0 0 h a - t - 1 0 0 0 0 a 其小数点后面的最后一位小数即是 所对应范围的灵敏度 2 3 8 源测量单元还设置了容限值( c o m p l i a n c e ) 选项。容限值用来保护外部的 电路或者被测器件( d u t ) ，设置一个适合的电流容限值( 1 - - l i m i t ) 可以防止在设 备或器件上的功率损失；设置一个适合的电压容限值( v - - l i m i t ) 可以保护电压敏 感器件，使其免受过大的电压的伤害。源测量单元所输出的电压值或电流值永远 不会超出用户定义的容限值范围。 选定的容限值同时也是系统的测量范围例如，如果在1 0 0 m a 范围内将容限 值设置为5 0 m a ，那么测量最大值就是5 0 m a 。而且在1 0 0 m a 范围内然而，如 l o 电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制 果自动选择范围( 献嗍a n g e ) 功能被激活，源测量单元将总是将范围调整到 与所选择的容限值相对应的范围。当仅仅将源测量单元用来提供电压或者电流而 不需要测量的时候，只需将其测量读数忽略即可。 2 3 8 源测量单元也可以用来作为单独的电压表或者电流表来使用，如图2 8 所 示。当单独用来测量电压的时候，将其设置为提供电流测量电压的状态，在 l 0 0 0 0 n a 范围内将电流源的输出值设置为零( 0 , 0 0 0 0 n a ) ；当用来单独测量电流的 时候，将其设置为提供电压测量电流的状态，在1 5 0 0 0 v 范围内将电压源的输出 值设置为零( 0 0 0 0 0 v ) 厶婚m y e l t l 啊弹l i y p 黛嘲 图2 82 3 8 源测量单元作为单独的测量单元 在图2 7 的简单原理图中加入了保险( g u a r d ) 和“s e n s e 电路圩( s e n s ec i r c u i t s ) ， 就变成了如图2 9 和图2 1 0 所示的电路 在提供电流测量电压的模式下( 图2 9 ) ，一个电压表v 魁t 疆与电流源i s c 哪晓 并联。在这种配置下，源测量单元相当于一个带有电压测量和限压功能的高阻电 流源。s e n s e 选择( 1 0 c a l 或者r e m o t e ) 决定电压测量的位置，在l o c a l 模式， 电压测量在源铡量单元的输出端起作用；而在r e m o t e 模式，电压测量在被测器件 上起作用，并且排除了源测量单元和被测器件之间由于连接和测试引脚引起的所 有的电压降的干扰缓冲器电路提供了驱动保险，它用来准确地产生很小的电流， x 1 缓冲器保证g u a r d 和o u t p u t h i 总保持在相同的电势 第二章电子器件噪声理论与检测系统基础 1 1 在提供电压测量电流的模式下 ( 图2 1 0 ) ，一个安培表i u e r e a 串联 a 叫h 在电压源v s o u a c e 和输出o u t p u t 。m 之间在这种配置下，源测量单 元相当于一个带有电流测量和限流 功能的低阻电压源。s e n s e 电路用 来监控输出电压并且按照需要适当 的调整电压源v 跏慨v l 帕腿测 设置保险的目的是将出现在 o u t p u ti i i g h 和o u t p u tl o w 之间的 漏电流( 和电容) 排除如果没有 _ 。” 驱动保险的存在，漏电流很可能会 严重地损害源测量单元的性能。通 过用一个d r i v e ng u a r d 将o u t p u t 。俯m 包裹起来，就实现了有效的保护。 舢一实际上，因为o i 胛i r r l 与s e n s e 图2 1 0 加入了保险和s e n s e 电路的源测量 m 是等势的，这样就不会存在有漏 单元简图本图为提供电压测量电流模式电流从0 胛l r rh i 流向o i r i 矾r r l o w 2 3 8 源测量单元为o u t p u th i 和s e n s eh i 提供了一个d r i v e ng u a r d 。d r i v e n 弘a i ；d 一直处于工作状态并且位于源测量单元的后面板上当源测量单元与测试装 置( 夹具) 连接的时候，保险就扩展到该测试装置上所以，实际上就可以排除 连接电缆中的漏电流。在测量装置内部，同轴电缆用来将保险扩展到被测器件上 在提供或者测量小电流( 1 0 1 4 q ，在高阻抗器件的电压测量的时候，可以提高测量精度， 所以可以测量高阻抗的器件。第二，万用表在测量电阻时，实际上是给器件加了 一定的电压f 例如3 v ) ，这个电压是恒定的而对于某些特殊器件，这个电压很可能 会击穿器件。本系统可以自行设置所加电压值，避免了器件的击穿。 表4 6 电阻值测量比较 标称电阻值 2 4 3 _ + 1 1 k 1 3 6 k 5 8 2 k 1 1 0 0 k t 1 1 m - + 1 1 0 m - - 1 万用表测量数据2 4 6 1 9 9 5 23 5 3 e + 0 3 8 1 4 e + 0 31 0 0 e 椰1 0 0 e + 0 61 0 0 4 e + 0 7 本系统测量数据2 4 4 5 9 9 4 93 5 2 e + 0 38 1 4 e + 0 31 册e + 0 51 0 0 e + 0 6 0 9 9 2 e + 0 r 7 第五章结束语 第五章结束语 5 1 论文成果 本学位论文首先基于l _ a b v e w 7 0 和最新的d a 0 2 0 1 0 的驱动程序将噪声采集 分析软件系统进行了重新的升级，解决了很多实际测试中存在的问题其次根据 当前的电子器件电参数测量的需要，设计并开发了一套基于虚拟仪器的电子元器 件电参数测试分析系统，并将其测试结果与传统仪器测试结果进行了比较系统 的硬件部分由g p i b 卡和现有仪器组成，软件部分由虚拟仪器专用软件l a b v i e w 来开发完成和以往由通用仪器组成的测试系统相比，它硬件结构简单，软件操 作直观、方便，不但实现了电子器件电参数的自动测量，而且简化了测量系统的 硬件结构，从而也提高了系统工作可靠性对于电子器件的生产和研究都具有重 要意义 对于电子器件噪声测试分析系统： ( 1 ) 通过对双缓冲模式的调整解决了原系统采样不连续的问题，实现了噪声 信号的连续采集，为分析和处理的正确性提供了最基本的保证。 ( 2 ) 通过对噪声信号进行预采集并判断信号幅值的大小，实现了对数据采集 卡的过载保护，从而有效防止了数据采集卡因外部信号幅值过大而烧毁 的危险 ( 3 ) 通过对系统加入软件滤波实现了数字滤波的功能，使其能在外部条件变 化很大的情况下弥补模拟滤波的不足 ( 4 ) 通过以事件结构代替轮询结构来降低软件在等待时对计算机系统c i u 的 占有率。通过对调用完毕的子程序进行关闭来释放不需要的大量内存空 间，使计算机的内存资源得到了充分的利用 ( 5 ) 对软件系统的操作界面和操作方式都进行了更人性化的改进。 对于电子器件电参数测量分析系统： ( 1 ) 以2 3 8 源测量单元的主要功能为主线，实现了系统的自检、初始化、直 流输出、固定电平扫描、线性阶梯扫描、脉冲扫描、线性脉冲扫描，对 数阶梯扫描、对数脉冲扫描、单独作为测量单元等功能 ( 劲与专业相结合，以目前实验室常用的电子元器件的电参数测试需要为主 线，用计算机对2 3 8 源测量单元进行控制并实际测量了电阻、二极管、 三极管、场效应管等器件的电参数并运用多项式拟合、最大斜率法等 方法，对场效应管的跨导和阈值电压进行了准确的提取 电噪声虚拟仪器测量软件的改进与电参数测试系统研制 5 2 迸一步展望 对电子器件噪声分析系统的改进是基于原来的软件系统来进行的。由于软件 工程量庞大，时间有限，故只是对于亟待解决的部分进行了改进，仍有一部分功 能需要进一步优化还须进一步改进的部分有： ( 1 ) 软件操作界面上的按键较多，而实际中用到的很少，所以造成用户有时 候会无所适从，操作起来并不简单。 ( 2 ) 虽然解决了子程序无用数据占用大量内存的问题，但是很多子程序都是 带有活页的界面。这样，子程序在关闭之前，内部已经有了一部分无用 数据占据着大量的内存空间，这一部分内存空间的释放并未解决。 ( 3 ) 电参数测量系统起重要测量和采集作用的仪器是2 3 8 源测量单元，它出 厂的时候只有一条测量线。因此，在测量场效应管的转移特性的时候， 要考虑2 3 8 源测量单元和l p s 3 0 4 的同步问题。故在测量转移曲线的时候， 每个点的测量时间不少于2 秒。如果测量点数较多的话，这个长时间的 加电可能会造成器件物理特性的改变随着研究的不断深入，对器件电 参数测量技术要求必将越来越高，而现有的测试条件很可能会无法满足 测量的需要但是，如果将2 3 8 源测量单元增加一条测量线，就可以使 用它的s e n s e 模式进行测量。其原理图如图5 1 所示： 锄s e 舡 图5 1 利用2 3 8 源测量单元s e n s e 引脚的场效应管转移曲线测量方法 在图5 1 中，使用了2 3 8 源测量单元的s e n s e 模式，其o u t p u tm 和 铲 i 第五章结束语 o u t p u t l o 为电压的输出端，而测量则在s e n s e m 和s e n s e l o 两端进行。由 l p s 3 0 4 为源漏之间提供一个恒定的电压，而扫描栅极电压v o s 和测量源漏电流 如的任务都由2 3 8 源测量单元来完成。这样，就能够在很短的时间内完成曲线的 测量( 2 3 8 源测量单元的扫描和测量最大延迟为2 0 m s ) 例如：要测量一百个点， 原测试方案至少需要2 0 0 秒，若使用而改进后的测试方案，测量间隔为5 0 m s ，则 只需5 秒钟即可完成测量 致谢 致谢 首先我要衷心的感谢我的导师杜磊教授，他对我悉心的指导和严格的要求使 我在研究生阶段获益匪浅。杜老师兢兢业业的工作精神、踏踏实实的工作作风、 一丝不苟的治学态度和认真朴实的做人原则给了我有力的鞭策和激励，是我这几 年学习生活中获得的最宝贵的财富。 感谢包军林老师和李伟华师兄，感谢他们对我日常的生活照顾和研究上的大 力支持，不厌其烦的为我解答难题并给了我很多非常有益的指导，再次对他们表 示深深的谢意。 感谢何亮老师和胡瑾师姐，感谢他们对我的工作的大力支持。他们乐观的处 事态度和严谨的工作作风，给我留下了深刻的印象，是我今后学习的榜样 感谢我的好友黄小君、杨广林、王党会、刘宇安、壬栋( 大) ，以及师妹杨丽 侠、张莹，他们在我的电子器件电参数测量分析系统的研制过程中，以他们深厚 的理论基础，为我工作的顺利完成提供了保障 感谢师弟李群伟、王栋( 小) ，在我研究电子器件噪声分析仪改进过程中，感 谢他们牺牲时间为我进行采集和验证 感谢好友陈建萍、陈春霞、赵玉国、卫涛、李百锁、曹衍、马良以及所有的 师弟师妹，感谢他们在即将毕业的这段日子里带给我的无尽的快乐，我永远也不 会忘记这段时光。 最后我还要衷心感谢我的父母，是他们多年来给予我生活和学习上的一贯支 持感谢女友对我工作的一贯支持，让我拥有克服困难、不断前进的决心和动力。 参考文献 参考文献 【l 】1 李伟华电子器件低频噪声测试分析系统西安电子科技大学硕士论文2 0 0 3 1 【2 1 庄亦琪孙青半导体器件中的噪声及其低噪声化技术北京：国防工业出版社， 1 9 9 b 2 m 2 3 【3 】b kj o n e s e l e t r i c a ln o i s ea sam e a s u r eo fo u a l i t ya n dr e l i a b l i l i t yi ne l e c t r o n i c d e v i c e s a d v a n c ：c si ne l e c t r o n i c sa n de l e c t r o np h y s i c s , 1 9 9 4 , 8 7 ：2 0 1 2 5 7 【4 】l j v a n d a m m e ，n o i s ea sad i a g n o s t i ct o o lf u rq i l a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f e l e c t r o n i cd e v i c e s , i e e et h 地d j o n so ne l e c t r o nd e v i c e s , 1 9 9 4 , 4 1 ( 1 1 ) 【5 】庄奕琪、挂磊等，埘噪声之谜，世界科技研究与发展，v 0 1 2 1 ，n o 4 6 9 - 7 2 , 1 9 9 9 4 - 。 f 6 ls u m m e rf a n - c h u n gt s o n g , w e i - t m gr a r yc h i e n , e x c i m e rg o n g b i n g - c h uc n i a i n s t r u m e n t a t i o na n dm e a s u r e m e n t ，i e e et r a n s a c t i o n so nv o l u m e5 2 ，i s s u e5 ，o c t 2 0 0 3p a g e ( s ) ：1 4 5 & 1 舢玎 【7 】e r i cu a i l d o r i ss c h m i t t - l a n d s i e d e lc h a r a c t e r i z i n gs e m i c o n d u c t o rd e v i c e su s i n g c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c et e c h n i q u e s w i t hs e m i c o n d u c t o ra u t o m a t i ct e s t s y s t e m ( a t e ) c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e f o rm e a s u r e m e n t s y s t e m s a n d a p p l i c a t i o n s 2 0 0 4 c i m s a 2 0 0 4i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n1 牟1 6j u l y 2 0 0 4p a g e ( s ) ：6 4 - 6 9 f 8 】t e k t r o n i x3 7 晒p r o g r a m m a b l ec i l r v et r a c e ru s e rm a n e a l 美国：t e k t r o n i x 公司 【9 】a g i l e n t4 1 5 6 1 3p r e c i s i o ns e m i c o n d u c t o rp a r a m e t e ra n a l y z e rd a t as h e e t 美国： a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 2 5 【1 0 1 低电平测量手册一精密直流电流、电压和电阻测量技术美国：k e i t h l e y 公司，2 5 【1 1 】m o d e l s2 3 眈3 7s o u r c e - m e a s u r eu n i t so p e m t u r sm a n u a l k e l t h l e y 公司， 1 9 9 b 【1 2 1 彭云辉，王跃钢等虚拟仪器技术的新发展，国外电子测量技术，2 0 0 2 ，2 1 ( 4 ) 2 - 3 1 1 3 】姜志玲，唐营等虚拟仪器的现状和前景现代电子技术2 0 0 2 , ( 4 ) 4 9 - 5 1 【1 4 】s a m o si i p e r e i mm ，v i e g a s 、p o s t o l a c h e lo ，g i r a op av i r t u a li n s t r u m e n tt ot e s t s m a r tt r a u s d u c e ri n t e r f a c em o d u l e s ( s t i m s ) i n s t r u m e n t a t i o na n dm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yc o n f e r e n c e , 2 0 0 3 i m t c 0 3 p r o c e e d i n g so ft h e2 0 t hi e e ev o l u m e1