（计算机应用技术专业论文）噪声测量方法用于模拟电路的故障诊断.pdf

摘要 摘要 本论文创建性地提出了用噪声测量方法来诊断模拟电路故障，该方法是通 过对电路外部测试点噪声谱的测量，并与正常噪声谱比较来判断电路是否处于 故障状态；这样不仅可以通过对故障电路的输出噪声谱测量来发现电路内元器 件开路、短路、参数异常等硬故障，还可以用于发现器件内在缺陷引起的软故 障。由于模拟电路是多个元器件互连构成的复杂系统，其外部测试点噪声谱是 元器件噪声和电路传递函数综合效应，显然噪声用于模拟电路故障诊断技术远 比元器件故障诊断复杂，对这种方法的关键技术研究在国内外还未见到，这正 是本课题研究的目的。 首先根据弗罩斯定理设计了用于测量微弱信号的低噪声放大系统，用该系 统来对被测噪声进行放大，使被测噪声能够用有效值表测量得到，设计了可调中 心频率的f i r 滤波器选择频点使噪声谱的计算得以实现；其次测量了一定数量 同一型号的运算放大器噪声参数，根据噪声谱叠加原理推证有源电路的噪声模 型及其矩阵算法，由此得出该电路无故障时的噪声谱，作为诊断的标准。最后 应用了小波理论中的奇异性分析以及模极大值算法来对模拟电路中危害最大的 爆裂噪声进行了检测，通过计算机仿真实验说明了这种方法的有效性。 本文的先进性在于噪声对故障的敏感程度远远超过了其它电路参数，这使 得诊断效果更加准确；对于像航空航天、精密仪器制造等这些要求故障率极低 的领域，这项研究有着广泛的应用前景。 关键词：模拟电路故障诊断：低噪声放大：爆裂噪声；小波变换；奇异性 东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r dan e wm e t h o db a s e do nm e a s u r i n gn o i s et o d i a g n o s et h ef a u l t so fa n a l o gc i r c u i t s t h ef a u l t sm a yb ef o u n db yc o m p a r i s o no f n o i s es p e c t r u mm o d e l sa n dt h et e s td a t am e a s u r e da tv a r i o u st e s tp o i n t s s ow ec a l l n o to n l yf i n dt h eh a r df a u l t sw h i c hi n c l u d es h o r t - c i r c u i t ，o p e n - c i r c u i ta n dp a r a m e t e r c h a n g e sb u ta l s of i n dt h es o f tf a u r sw h i c ha r ea tt h eb o t t o mo fh i d d e nd e f e c t s t h e a n a l o gc i r c u i ti sac o m p l e xs y s t e mw h i c hi sc o m p o s e do fm a n yc o m p o n e n t s ，i t sn o i s e s p e c t r u mo fe x t e r n a lt e s tp o i n t si sas y n t h e t i c a lr e s p o n s ew h i c hi sg e n e r a t e db y c o m p o n e n t s n o i s ea n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h ec i r c u i t ，s ot h em e t h o di s m o r e c o m p l e xt h a nd i a g n o s i n gc o m p o n e n t s t h ek e yt e c h n o l o g yo ft h em e t h o di s n o t a p p e a r a n c ei no u rn a t i o na n do t h e rn a t i o n s ，s ot h i si st h er e s e a r c h f i a la i mo ft h e d i s s e r t a t i o n t h ea u t h o rf i r s td e s i g n sal o wn o i s es y s t e mb a s e do nf r i s st h e o r e mt om a k eu s e o fm e a s u r i n gt h ew e a ks i g n a l t h es y s t e mc a na m p l i f yt h en o i s e ，s ot h en o i s ec a nb e m e a s u r e db ym u l t i m e t e ra c c o r d i n gt ot h es y s t e m a f t e r w a r d s ，t h ea u t h o rd e s i g n sa f i rf i l t e rw h i c hc a na l t e ri t sc e n t r o - f r e q u e n c yt oc h o o s et h ef r e q u e n c yp o i n t ss ot h a t w ec a nc a l c u l a t et h ea c c u r a t en o i s es p e c t r u m s e c o n d ，t h ea u t h o rt e s t sal o to fn o i s e p a r a m e t e ro ft h es a m eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r sa n dc a l c u l a t e st h en o n - f a u l t sn o i s e s p e c t r u ma c c o r d i n gt ot h et h e o r e mo fa d d i n gn o i s es p e c t r u m t h en o n - f a u l t sn o i s e s p e c t r u mi st h es t a n d a r do fd i a g n o s i n ga n a l o gc i r c u i t s b u r s tn o i s ei st h ew o r s td e f e c t i nt h ec i r c u i t ，f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h es i n g u l a r i t yo ft h eb u r s tn o i s eb a s e d o nt h em o d u l em a x i m u ma r i t h m e t i co fw a v e l e t t 1 1 ee m u l a t o rt e s t i f i e st h a tt h em e t h o d i sv a l i d t h ea d v a n t a g eo ft h ed i s s e r t a t i o ni st h a tt h en o i s ei sm o r es e n s i t i v et h a no t h e r p a r a m e t e r so ft h ec i r c u i t ，s ot h ed i a g n o s ei sm u c hm o r ea c c u r a t e t h ea p p l i e d f o r e g r o u n do ft h er e s e a r c hi sc o m p r e h e n s i v es u c ha sa v i a t i o n ，t h ee x a c ta p p a r a t u s m a n u f a c t u r e ，a n ds oo n - i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：t h ed i a g n o s eo fa n a l o gc i r c u i t ；l o wn o i s ea m p l i f i c a t i o n ；b u r s tn o i s e ； w a v e l e t t r a n s f o r m ；s i n g u l a r i t y 1 1 1 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均己做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人己用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 k k 论文作者签名： 枣驾 日期： 趁1 2 = 年月监日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 超当 导师签名： 日期：筮! 年月二笠日 第l 章绪论 ! 曼! ! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! l 二m 二：|hi ! 曼! ! 曼! ! ! ! 皇! ! 曼! ! ! 曼 1 1 选题意义 第1 章绪论 现代信息技术的迅速发展，对电子电路及器件提出了越来越高的要求。为 了满足各种性能指标( 例如，低噪声、低漂移、高阻抗、高稳定性等) 和应用过程 中的各种要求，集成电路及器件变得越来越复杂。集成电路的故障诊断方法的 研究对保证电子系统工作可靠性、长期稳定性有十分重要的意义，已引起人们 的极大关注。 所谓模拟电路故障诊断技术就是根据对模拟电子电路的节点或端口及其他 信息的测试，推断设备所处的状态，确定故障元器件部位和预测故障的发生， 判别模拟电子产品的好坏并给出必要的维修提示方法。 模拟电路的故障诊断几乎与数字电路的故障诊断是同时提出来的。虽然数 字电路的故障诊断已经有了经济、有效的实用方法，但模拟电路的故障诊断却没 有有效的实用方法和完备的理论，其原因如下： ( 1 ) 早期，模拟电路的故障诊断不受重视； ( 2 ) 模拟电路的输入和输出之间的关系复杂： ( 3 ) 由于环境等因素的影响，模拟电路中的元器件不再是线性器件，经常是非 线性的； ( 4 ) 故障的分类与分布没有规律可循。 模拟电路的故障诊断方法很多，最常用的方法有测前仿真法和测后仿真法。 测前仿真法的基本思想：选择电路的一组故障特征，在各种假定的故障状态 下，将模拟电路在预定激励下的输出响应编制成字典库存储起来。在实际故障诊 断时，输入端在相同的激励下，将测量电路的实际响应特征与字典库中的故障特 征相比较，从而判断是否发生故障。该方法亦称故障字典法。 测后仿真法是测前仿真法的“逆”方法。它首先测试各节点的状态值，然后根 据故障诊断理论判断是否有故障和定位故障。测后仿真法的基本思路：假设电子 东北电力人学硕f j 学位论文 曼皇皇皇量皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼璺曼i li n _ i n - i l _ o 皇皇曼鼍皇曼量鼍寰皇皇 电路的拓扑结构和元件类型已确定，电路存在有限的测试点，其故障是由元件参 数值偏离标称值引起的。测试端口上网络状态，利用已知信息，寻找特性输出与元 件参数之间的解析和数值关系。 现行的模拟电路的故障诊断方法1 1 - 3 有模糊故障字典法、非线性l 1 范数优 化法、表格迭代法、神经网络法等。而这些诊断方法均有一定的局限性，更具 体地说，需要对故障的类型、数量及故障是否存在作预先限定。这些方法的共 同特点是可以用来诊断电路内部元器件开路、短路、参数异常变化等硬故障， 而对类似电路及器件缺陷或缓慢失效之类的软故障难以判别。本课题所提出的 噪声测量方法的步骤为：( 1 ) 确定待测电路中每种元件的噪声参数；( 2 ) 通过这些 参数计算该电路的e 。一j 。噪声模型从而计算其噪声谱的理论值；( 3 ) 用高精度频 谱测量仪测量实际电路的噪声谱，并与理论值作对比来判断电路内部故障元器 件位置及失效情况。事实上，本课题的最终目的不仅限于电路的故障诊断，还 包含了元器件缺陷的研究和诊断，这样才能形成一个完整的诊断系统。 一个集成电路芯片是由成千上万个半导体微电路构成的。在半导体器件中， 存在着能够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机起 伏，称为产生一复合噪声，简称为g - r 噪声 4 - 6 。当双极晶体管中具有严重的g - r 噪声时，就会产生一系列宽度不同而幅度相近的随机矩形脉冲构成的爆裂噪声， 又称猝发噪声、尖峰噪声、炒玉米噪声1 7 - i o 。这种噪声最先在半导体二极管中发 现，后来又出现在集成电路中。 电子器件的这种噪声与其内部严重缺陷有关，因此凡是具有爆裂噪声的器 件通常是不可靠器件。由于制作工艺的限制，这种爆裂噪声很难消除。如果将 具有爆裂噪声的器件应用到电路中去，将直接影响系统的可靠性，妨碍系统的 正常工作，特别是在数字电路中会引起误触发现象。可以说，爆裂噪声是影响 集成电路可靠性的最主要的因素。所以，不论从哪个角度看，具有爆裂噪声的 器件均是应该被筛选掉的。 在电路的设计中，整个系统的可靠性首先取决于所使用器件的可靠性。在很 多应用场合中，如国防、通信、航天和科学仪器等，电子元器件的可靠性已经 被放在至关重要的地位，而由于制作工艺的限制，爆裂噪声往往是很难消除的， 第1 章绪论 所以此项研究对于半导体器件的生产厂家，尤其是使用部门有着积极的意义。 本课题的研究将为微弱信号检测理论和实际应用开拓出新的发展空间。本课 题的研究与探讨是基于噪声谱矩阵算法和小波变换等新理论、新方法进行的， 提出非平稳有色噪声的时域分析方法，为信号检测理论的发展和应用开拓出一 条新的途径。 1 2 国内外研究现状和进展 1 2 1 电路故障检测方法发展现状 近年来，国内外学者针对电路及器件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探讨，并陆续推出了一些新方法或新思想。 王巍、黄文虎、p a t t e r s o nh f a 等学者采用的故障树最小割集和最小路集的 诊断方法1 1 卜1 3 1 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。这种方法的优点是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；缺点是 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。 模拟电路故障诊断l 1 范数方法【1 4 i 。经过进一步的研究和探讨，一些学者认 为l 1 范数方法存在明显的不足：( 1 ) i h - j 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，需对被诊断电路再次模拟，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，不适用于实 时性要求较高的场合。 基于神经网络的线性电路故障诊断非线性l 1 范数优化方法【l5 1 ，在l l 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l 1 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l 1 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，即电路中发生故障 东北电力大学硕十学位论文 的器件数要少。 l i np m 和e l e c h e r i fy s 的故障字典法0 6 及雍正正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。由于电路中 元器件具有容差，测量结果和模拟结果会有偏差，对此雍正正提出模糊故障字 典法【1 7 】。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 量可想之大，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 噪声分析理论的发展现状 有关噪声的研究最早由奈奎斯特对电阻的热噪声及约翰逊对电真空器件散 弹噪声的研究。电路中噪声的研究与计算是由弗里斯于1 9 4 4 年开始的【l 引，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、低噪声电路设计和噪声测量技术等方面，吉林大学 的戴逸松( 己故) 教授提出了许多新的见解，进行了充分的研究和论证，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。用功率迭加方法 进行噪声分析是目前已被广为接受和利用的方法。电路及器件噪声的计算辅助 分析软件大都是基于噪声源功率迭加法编制的，例如，n o i s e 程序 1 9 - 2 0 】和s p i c e 程序1 2 1 1 等。 噪声源功率迭加法实际上是一种交流小信号分析方法。由于噪声本身是随 机变量，其幅值、频率及相位均是随机时间函数，因此，应用这种方法只能独 立分析每个噪声源的贡献，这必然会导致丢失噪声的一个重要特性即相关性， 电路噪声分析的精度及可靠性将受到严重影响。此外，独立分析每个噪声源的 贡献本身就是一件十分繁琐的事情。对较复杂的电路而言，如由多个半导体器 件组成的模拟集成电路的噪声源数量庞大，会使用户在应用噪声分析软件时所 给出的噪声控制关系极其复杂，同时，会使噪声分析的精度受影响。因此，噪 声源功率迭加法通常用于单管电路或半导体有源器件的定性噪声分析，并需经 第1 章绪论 简化，且分析结果中存在一定的局限性和误差也是难免的 2 2 1 。 为了克服已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，某些专著【2 3 】提出了电路噪声谱理论，运用它会使 电路中所有的噪声源同时参加运算。从理论上讲该方法是完善的，噪声分析的 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。另外，噪声电路 谱理论在复杂电路噪声分析中应用时，其计算量的大小取决于噪声等效电路的 节点数、独立回路数、树支数，因此，通常为高阶矩阵运算。 1 2 3 小波变换作为一种新兴的噪声分析理论和方法的进展 在信号检测理论研究过程中，突发信号和非平稳信号的处理逐渐引起人们 的关注。寻求新的正交展开系，要求它既能保持傅立叶分析的优点，又能弥补 傅立叶分析的不足为研究的焦点。小波理论就是在这种情况下得到了众多领域 科技工作者的高度重视。小波分析被认为是傅立叶分析发展史上里程碑式的进 展，近年来成为众多学科共同的关注的热点。在数学领域它被认为是调和分析 半个世纪以来工作的结晶；在应用领域，特别是信号处理、量子场论、语音识 别与合成、图象处理等方面，它被当作近年来在工具和方法上的重大突破。 真正的小波热潮开始于1 9 8 6 年。法国数学家m e y e r 在连续小波理论的容许 条件及重构公式之后承认了c a l d e r o n 恒等试，之后他与g r o s s m a n 和比利时籍数 学家d a u b e c h i e s 共同研究了函数a b 的伸缩平移系构成框架的条件【2 引。同年， m e y e r 创造性地构造了具有一定衰减性质的光滑函数，其二进伸缩平移系构成规 范正交基。在此之前，人们认为具有如此良好特性的小波函数是不存在的。 d a u b e c h i e s 于1 9 8 8 年发表的长篇论文 2 5 1 证明了具有有限支集正交小波基的 存在性。1 9 8 9 年m a l l a t 巧妙将计算机视觉领域的多尺度分析的思想引入到小波 分析中，提出了多分辨分析的概念，统一了在此之前提出的各种具体小波的构 造方法，给出了构造正交小波基的一般方法1 2 6 - 2 8 l ，研究了小波变换的离散化情 形，论证了相应的算法- m a l l a t 算法，并有效地应用于图象分析与重构。这样， 小波分析的理论初步建立起来。在这之后，由c o i f m a n 的w i c k e r h a u s e r 提出的 东：l l ：r t l 力大学硕士学位论文 小波包理论1 2 9 1 成为小波理论在信号处理应用的又一重大进展，它在小波理论的 基础上引入了最优基选择的概念，并且像小波变换一样存在快速有效的小波包 算法。 电子信息技术是六大高新技术中的重中之重，其中，信号与图象处理是主 导领域。信号处理己成为当代科学研究工作的重要组成部分。信号处理的宗旨 是：准确地分析和诊断、编码压缩和量化、快速传递或存储、精确地重构( 或 恢复) 。从数学角度来看，信号与图像可以统一看作是信号处理( 图像可以看作 是二维信号) 。小波分析的许多应用技术，都可以归结为信号处理问题。现在， 对于特性随时间稳定不变的信号，处理的理想工具仍然是f o u r i e r 分析。但是， 在实际应用中的绝大部分信号是非稳定的，而特别适用于非稳定信号的工具就 是小波分析。 小波分析的应用十分广泛，包括：数学领域的许多学科，信号分析，图象 处理，量子力学，理论物理，军事电子对抗和武器的智能化，计算机分类与识 别，音乐及语言的人工合成，医学成像和诊断，地震勘探数据处理，大型机械 的故障诊断等方面。例如，在数学方面，它已用于数值分析、构造快速数值方 法、曲线曲面构造、微分方程求解、控制论等；在信号分析方面的滤波、去噪 音、压缩、传递等；在图象处理方面的图象压缩、分类、识别与诊断、去噪等； 医学成像方面的减少b 超、c t 、核磁共振的成像时间、提高分辨率等。在这些 方面，国内专家学者也有许多建树。 小波分析已经引起了信号处理领域学者们的浓厚兴趣和热切的关注，它正 在迅速发展之中，许多新的理论、新的方法和新的应用有待我们去研究。 1 3 全文研究内容及安排 本文的研究内容是围绕集成电路及器件的诊断方法展开的，这是一项具有 创新性和实用性的研究工作。最新文献检索表明：用噪声测量技术和小波分析 方法检测集成电路及器件的潜在故障或缺陷属于创新性研究课题，不论在国内 还是在国外相近的研究报道甚少，本课题的研究将为模拟电路故障诊断开辟一 第l 幸绪论 条新的思路，使其更加完善。 本文的主要内容包括： l 、应用弗里斯定理及最小噪声系数公式来设计低频低噪声放大系统，用此 系统放大噪声电压进而计算出低频噪声谱，并用m a t l a b 软件绘制出噪声谱的曲 线。由于噪声电压一般为n v 量级，直接用有效值表根本无法测量，因此，这一 步是我们分析电子元器件低频噪声的必经之路，涉及到噪声的匹配、耦合方式 的选择、组态的选择等等，为模拟电路的低频噪声分析及故障诊断做准备。 2 、利用e 。一。噪声模型把一个含有内部噪声源的二端口网络等效为无噪声 网络与等效端口噪声源的叠加，使复杂电路的噪声分析和计算大大简化。检测 时，首先对待测系统( 模拟电路) 进行噪声参数的测量，并通过计算获得待测 系统的理论参数值，然后，比较二者的差异，从而判断系统的故障所在。运用 这种方法能发现潜在的器件缺陷，且无需外部激励信号源，从而为微弱信号检 测理论和实际应用开拓出新的发展空间。 3 、严谨地推证了复杂集成运放噪声模型及其矩阵算法，并设计、调试了基 于m a t l a b 的复杂集成运放噪声模型矩阵计算软件。电子系统通常是一个比较复 杂的系统，然而，任何一个复杂的系统都可以分解成相对比较简单的单元，使 大系统变成容易分析的小系统，最后再进行合成。经过论证，总结出一整套利 用谱相关系数计算噪声功率算法。在此基础上，我们推导出简单集成运放电路 噪声模型的矩阵算式，并编写出用于计算复杂集成电路噪声模型矩阵的程序， 为噪声测量法步入实用化奠定了基础。 4 、系统的研究了基于小波变换的爆裂噪声检测方法，并通过计算机仿真实 验说明了这种方法的有效性。详细的分析了爆裂噪声及受扰爆裂噪声的多分辨 分析的特点。对受扰爆裂噪声的滤波，论文从阈值的选取、小波基的选取，最 佳分解层数的选择等不同角度讨论了这些因素对滤波效果的影响。在此基础上 提出了快速算法，进而提出爆裂噪声在线检测系统的构建方案。 最后，论文针对集成电路及器件的潜在故障或缺陷的诊断问题提出了新的 构想和展望。 东北电力大学硕七学位论文 第2 章噪声、缺陷与故障的探讨 2 1 故障、缺陷与噪声的关系 电路及器件的低频噪声水平与内在的故障、缺陷有关联，也就是说，可以 用来作为对其可靠性作出评估的主要依据。器件中通常存在热噪声、散弹噪声 及1 f 噪声，即所谓的基本噪声。然而，当器件的s i s i o ，表面、p - n 结及沟道 内部存在缺陷时，实际噪声将会显著增加，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p - n 结临近反向击穿 区附近白噪声还会显著增加。因此只要能测到器件的过激噪声，我们就有可能 分析器件的内部缺陷性质，评估其可靠性水平。 2 1 1 由故障、缺陷引起的噪声 由故障、缺陷引起的噪声主要包括过激白噪声、过激1 f 噪声、g r 噪声和 爆裂噪声，统称为过激低频噪声。 集成电路实际上由大量的半导体器件组成。半导体器件的白噪声包括期间 内部的电阻热噪声及p n 结的散弹噪声两个部分。如果p n 结处于反偏状态，当 反向电压加到接近反相击穿时，其散弹噪声会显著增加，形成了过激白噪声。 实验表明，加反偏脉冲电流后噪声电流会持续增大，说明产生了由反向击穿引 起的过激白噪声，在过激白噪声增加的情况下，器件的办厢值将明显下降。这是 由于射一基雪崩应力期间产生的热载流子引起的快速表面状态造成的，即由于结 区电场加大，引起热载流子在& a 界面附近的复合中心增加，从而吸引了部分 载流子，使基极电流增加，相应地，增益办厢大大降低。可见，器件的过激白噪 声可以作为器件可靠性评估的一种很灵敏的尺度。 由故障、缺陷引起的另一种噪声是过激1 f 噪声，它是半导体器件的一种最 主要的低频噪声。很多学者对l f 噪声形成机理进行多年的研究，已经有了较明 第2 章噪声、缺陷与故障的探讨 确的看法，即电子器件中的1 f 噪声可分为基本1 f 噪声和非基本1 f 噪声两类。 基本1 f 噪声是霍克于1 9 6 9 年从经验公式： s ，( 厂) s 尺( 厂) 口 ( 2 1 ) 1 2r 2 j n 出发提出的金属及半导体内部的一种噪声，式中，为通过样品的电流；尺是样 品的电阻；是样品中的载流子总数；口h 是一个无量纲的常数，称为霍克系数， 一般为2 x 1 0 。此式称为霍克公式。实验证明，这个公式适用于许多均匀金属 和半导体材料。霍克认为，器件内部载流子的迁移率涨落导致这种噪声，霍克 称之为迁移率涨落模型。1 9 7 5 年汉德尔建立的量子l f 噪声理论为迁移率涨落提 供了理论依据。这种1 f 噪声与半导体器件的表面与体内缺陷无关p ，故称为基 本1 f 噪声。 还有一种过激噪声称为非基本1 f 噪声，它是一种与器件缺陷有关的1 f 噪 声。这种1 f 噪声是由器件表面或体内缺陷引起的，当器件缺陷严重时，这种噪 声可能占主导地位，因此，我们有可能依据其大小来对器件质量及可靠性做出 评估。只有当器件表面或体内状况改善使缺陷很小，从而使这种非基本1 f 噪声 降低到可以忽略的程度后，基本1 f 噪声才占主导地位。因此，非基本1 f 噪声 就可称为过激1 f 噪声，对器件质量评估及可靠性预测有十分重要的价值。 过激1 f 噪声可以划分为表面1 f 噪声和位错1 f 噪声两种。前者是由半导体 带或价带的载流子能过隧道贯穿与表面氧化层中的陷阱相互作用引起的，称为 表面载流子数涨落模型。理论与实验证明，这种1 f 噪声强度与器件氧化层中的 产生一复合中心( 即表面缺陷) 数量有关，因而可以用这种噪声的强弱来对器 件表面质量及可靠性作出评估。文献【3 1 】的实验证明，对晶体管b c l 4 8 a 进行y 射线辐照，则表面缺陷会显著增加，同时进行的噪声测量也表明1 f 噪声也随之 明显增大。而且，有源区表面积体积比大的器件( 例如表面效应器件m o s f e t ) ， l f 噪声就大；反之如j f e t , 1 f 噪声就小。此外，氧化层表面陷阱密度高的器件 ( 通常器件质量差，易于早期失效或参数漂移) 的表面1 f 噪声也大 3 2 1 。可见， 过激的1 f 噪声可用于器件可靠性预测。 另有一种过激噪声称为g - r 噪声。半导体材料或器件中存在着能够发射或俘 获载流子的各种杂质中心。根据它们在禁带中能级位置的不同，分别起着受主 东北电力大学硕士学位论文 中心、施主中心、陷阱中心或产生一复合中心的作用。这些杂质中心对载流子 的发射和俘获是一种随机事件，因此占据其能级的载流子数目会随机涨落，引 起体内电位波动，从而使通过半导体内部电流值产生波动，称为产生一复合噪 声，即所谓的g r 噪声。由此可见，器件的g - r 噪声直接与半导体中的缺陷有关， 可以通过对器件g - r 噪声的测量来分析器件内在缺陷及可靠性。 通过不懈地研究，人们已经弄清楚发射结区体内及表面缺陷( 位错、深能 级杂质) 是晶体管g - r 噪声的主要来源。在p n 结反偏或弱正偏时，g - r 噪声的谱 强度相当于散弹噪声的0 7 5 l 倍，是比较小的，但是在p n 结正偏时，g - r 噪声 却很大。 晶体管p n 结区内复合中心俘获与发射过程，会造成结区内的载流子浓度变 化，从而引起p n 结阻挡的内建电位差的波动，最终形成晶体管电流噪声中的 g - r 噪声。由于p n 结阻挡层的内建电位的作用【3 3 1 ，半导体能带在p n 区发生弯 曲，如图2 1 所示：这样，即使在n 区或p 区内缺陷能级e 与费米能级e f 不等， 但在p n 结的阻挡层中也会出现e ，与e f 相等的情况，在相交点a 附近形成产生 一复合中心能级的载流子数目的涨落，导致g - r 噪声。由此可见，在费米能级e f 以下的深能级杂质能级在p n 结区内均会产生g - r 噪声，而且双极晶体管正偏时， g - r 噪声的转折频率厶可能从几h z 到几十k h z ，而半导体掺杂的浅能级在常温下 不会在p n 结形成g - r 噪声，只有在低温下，e f 才能形成较大的g - r 噪声。因此 常温下双极晶体管如果发现有较大的g - r 噪声，表明此器件存在深能级杂质缺陷。 1 r 7 7 一e c v dl e t 一j ，j 二：二i 二二e i a j 一一一e i = = = = = 百= 二二e f ，d 一一 二二夕 b ，i i n 睑f 了 l i 阻伯l 层l - - jl p 区 ii 危害最大的过激噪声应属于爆裂噪声，这也是本论文重点研究的对象，因 第2 章噪声、缺陷j 故障的探讨 此有必要对爆裂噪声进行更详细的分析。 2 1 2 器件中的爆裂噪声 爆裂噪声是由一系列宽度不同而幅度较大且相近的随机脉冲构成，而且这 些随机脉冲有时还似乎相互重叠在一起。如果把这种噪声送入扬声器中，就会 听到似炒玉米的爆裂声，所以又名炒玉米噪声，又称为尖峰噪声，或称猝发噪 ：b _ 尸。 爆裂噪声最初是在点触二极管中发现的。此后在隧道二极管中、结型二极 管中、某些电阻中、结型晶体管中以及集成电路中都发现了这种噪声。它是除 散弹噪声、热噪声和1 f 噪声以外许多半导体器件中的另一种低频噪声，并且危 害很严重。 半导体器件中的爆裂噪声源主要在发射结附近接近基极表面一侧，因此可 以用一个与基射结并联的噪声电流源f ，表示，其电流噪声谱密度表示为： s ，( 厂) = ( 2 - 2 ) 1 + 等 式中口表示每秒的尖峰数，k 为常数。 爆裂噪声是一种随机低频脉冲，重复频率约为每秒几百次，个别器件甚至 每分钟出现一次。对于一个p n 结的半导体二极管，爆裂脉冲的幅度不大于十分 之几微安，脉冲宽度在几微秒以上。爆裂噪声的性质与g - r 噪声有共同之处， 当g - r 噪声十分严重时，会出现爆裂噪声现象。实验已经发现，爆裂噪声与器 件内部的严重缺陷有关。 赫苏( h s u ) 首先提出了能说明爆裂噪声的物理模型1 3 4 1 。该模型认为重金属 杂质沉淀在p n 结空间电荷区，与半导体形成金属一半导体点接触。如果在这种 点接触形成的空间电荷区中又存在像位错这样的g - r 中心，该中心被载流子占 据形成的起伏电压控制了流过金属一半导体结周围的电流，会产生噪声。这种 噪声的幅度、脉宽呈随机的猝发噪声形式。但后来的一些实验很难用这种模型 去解释，例如有人发现，在消除了重金属杂质沉淀以后，所谓“纯净 的晶格 东北电力人学硕i j 学位论文 位错也会引起猝发噪声。因此重金属杂质似乎不是产生爆裂噪声所必需的。 文献 3 5 对爆裂噪声的起因作了新的解释。我们认为在p n 结正偏状态时， 当势垒区中存在一个高密度的缺陷能级( 杂质或位错) ，且其位置恰好在缺陷能 级e ，与费米能级e f 的交点附近时，会引起爆裂噪声。这里重金属杂质不是必需 的。存在缺陷时，杂质能级密度较高，且缺陷恰好位于巨与e f 的交点附近，则 该陷阱中心即会俘获或释放一定数量载流子，从而引起势垒区在缺陷附近的电 位突然起伏，形成了爆裂噪声。综上所述，我们得到的结论如下： 1 、爆裂噪声是一种随机低频脉冲，重复频率约为每秒几百次，个别器件甚 至每分钟出现一次，对于一个p n 结的半导体二极管，爆裂噪声的幅度不大于十 分之几微安，脉冲宽度在几微秒以上；爆裂噪声本质上属于g - r 噪声，当缺陷较 严重时有可能出现爆裂噪声。 2 、凡是具有爆裂噪声的器件，表明器件内部，特别是在p n 结区有严重缺 陷，因而该器件通常是不可靠的。 3 、这种爆裂噪声主要出现在双极晶体管正偏p n 结区，同样在双极型v l s i 电路中也会出现。它不仅会影响器件的可靠性，同时也会妨碍器件的正常工作。 特别是在数字电路中会引起误触发现象。因此，不论从哪个角度看，具有爆裂 噪声的器件均是应该被筛选掉的。 2 2 由噪声评估可靠性 2 2 1 传统的可靠性评估 随着电子器件的广泛应用，为了确保电子系统的可靠性，以期能快速、准 确、无破坏性的诊断该电子系统，因此电子元器件( 包括集成电路) 的使用可 靠性已经被放在首要地位。 到目前为止，能够在生产中使用的半导体器件可靠性评估方法仍然是常规 试验方法，包括环境实验、寿命试验等，用于产品出厂前的称为例行试验及筛 选试验，而专门用于器件失效率考核的称为寿命试验。其基本特点是对批量器 第2 幸噪声、缺陷勺故障的探讨 件加以一定应力( 温度、功率、振动等) ，经一定时间后，测量器件电参数变化 的情况，以判断器件是否失效。这种传统的可靠性评估存在的主要缺点是： 1 、要花费大量人力、物力及时间，特别是近年来随着军事应用的需要，器 件的失效率己降低到1 0 1 0 一h 。这种常规寿命试验方法已无法对高可靠性器 件做出评价。例如，为了验证失效率为1 0 l l 的器件，需要抽取2 3 万只器件工 作1 0 0 0 h 后不可有一只失效。这2 3 万器件及其试验设备的代价实在太大，这在 实际工作中显然是行不通的。 2 、长期的寿命试验，特别是功率试验往往会对器件造成伤害，因此这种方 法不是无损的。对器件使用单位来说，往往较难采用。 3 、这种方法是以批量器件作统计分析结果，而不可能对某一个器件可靠性 高低做出明确的回答。所以对高可靠器件的单位来说是无法接受的。因为使用 者除了关心这一批器件的实效率高低，更重要的是关心某一个具体器件的可靠 性高低。 综上所述，研究对器件可靠性评估的新方法是人们关心的问题。用低频噪 声来评估器件可靠性即是其中一种，这种方法己引起人们的普遍关注，其主要 原因是这种方法具有灵敏度高、方便易行及无破坏性等优点。但是由于这种方 法开展研究时间不长( 仅十几年的历史) ，很多问题仍有待深入研究。 2 2 2 噪声作为可靠性评估指标 低频噪声可以用于器件可靠性评估的依据已在本章上一节中阐明，器件的过 激l f 噪声、g - r 噪声、过激白噪声及爆裂噪声( 可以看成是一种g r 噪声) 与器件 内在缺陷( 即表面缺陷、位错、深能级杂质等) 是密切相关的。因此，可以根据器 件过激噪声测量之值的大小来器件可靠性作出评估。目前已有的方法有： 1 、在某己给定频率点的器件噪声，通常指等效折合到器件输入端的噪声电 压或噪声电流。对于频率点选择，不同的作者有不同的方法。文献 3 6 】中选用f = 3 h z 的电流噪声功率谱密度作为可靠性指标，而文献 3 7 】中先用f = 1 h z 电压 噪声作为半导体激光器的可靠性评估指标，原因均是为了突出过激1 f 噪声的作 用。很明显，如果器件仅存在白噪声及过激1 f 噪声大小，从而用于评估器件可 东北 乜力大学硕 j 学位论文 靠性，但实际器件有很多缺陷，有的明显反映出过激的g - r 噪声。因此，仅用一 个频点噪声就显得不足了。为克服上述弊病可用下面方法。 2 、对低频噪声谱成份分析后，用白噪声、l f 噪声及g r 噪声幅值a 、b 、c 。 来作为器件可靠性评估指标【3 8 】。这样的指标有利于反映器件不同的缺陷。例如 过激的1 f 噪声可以反映s i s i o ，表面缺陷。过激的g r 噪声反映器件体内特别是 p n 结区深能级杂质及晶格缺陷等。 应该指出，作为器件可靠性评估的指标也可以通过测量器件的其它参数选 定，例如伏安特性的非理想性、器件结温、功耗、电参数等。但事实已经证明， 噪声参数可能是晶体管质量的最灵敏的尺度。 应用噪声测试及分析方法来评估集成电路的可靠性是一个较困难的问题。 这是因为集成电路是由大量单元电路组成的，还包括电路互连线的金属薄膜电 迁移失效。为了对集成电路中部分电路可靠性进行研究可以选择不同的输入开 关模式1 3 9 1 。已经证明，噪声越强，器件的可靠性就越差 4 0 l 。 2 3 本章小结 传统的器件可靠性评估是采用试验统计学的方法，但这种方法要花费大量 人力、物力及时间，往往会损坏器件，而且这种方法是以批量器件作出统计分 析结果，不可能对某一个器件的可靠性作出明确的评价。本章研究了故障、缺 陷与噪声的关系，并重点分析了危害最大的过激噪声爆裂噪声。此外，本 章还论述了用噪声作为半导体器件可靠性评估并进行故障和缺陷诊断的依据。 第3 章低频噪声测量方泫的研究 ! ! ! 鼍! 苎! 皇! ! ! i i i i i| i ! ! ! 曼皇! ! 曼曼曼 第3 章低频噪声测量方法的研究 上一章了解到电路中低频噪声与故障( 缺陷) 存在对应的关系，因此进行 模拟电路故障诊断时，测得电路中的低频噪声值将是至关重要的一步。 低频噪声测量技术是指对频率低于1 0 0 k h z 以下电压噪声( 或电流噪声) 的测 量方法及装置。由于人们很难找到一种像高频噪声测量中常用的标准噪声源来 对低频噪声进行比较法测量，因此，目前低频噪声测量只能借助诸如有效值表、 谱分析仪等一些测量仪器进行直接测量。 噪声测量是一项困难的工作，这是因为噪声量级很小，而且它还是一种随 机过程，因此测量中数据波动很大。因此噪声测量要花费较多的时间，而且要 充分抑制各种干扰的影响。特别是当被测噪声与测量放大器本身噪声相等时， 噪声测量将会变得不准确。过去主要是测几个频率点的噪声有效值，而目前将 要求测噪声谱，因为只有测量器件或电路中噪声谱，才能全面了解放大器噪声 的情况。综上所述，本章将对低频噪声谱的测量做重点研究。 3 1 低噪声测量放大电路的设计 3 1 1 弗里斯公式1 4 1 】的证明 噪声电压一般为n v 量级，因此对其进行测量时应进行多级放大，达到有效 值表的量程范围。 分析噪声时，噪声系数是个很重要的参量，是指放大器输入端信号噪声功 率比只，只，与输出端信号噪声功率比匕只。的比值： f ：上笠：堕塑笪堕些仃1 、 匕输出端信噪比 v v 用分贝数表示： 东北电力入学硕i j 学位论文 f ( 抛) = 1 。l g 万i s , 1 丐1 , ( 3 - 2 ) 它表示信号通过放大器后，信号噪声比变坏的程度。 以一个放大器为例，如图1 所示。为了使信号源有最大功率输出，显 图3 - l 然必须使r s = r ，即放大器的输入电阻咒与信号源内阻尺，相匹配。所以额定输 入信号功率为： 矿2 只2 景( 3 - 3 ) 额定输入噪声功率为： 耻杀= 警= k t a f , , ( 3 - 4 ) 4 尺。4 r 。 rv 这里考虑的噪声为常温下的电阻热噪声，由此可见，额定信号( 噪声) 功率只 是信号源的一个属性，它仅取决于信号源本身的参数内阻和电动势，而与 放大器的输入电阻和负载电阻无关。 额定功率增益是指放大器( 或线性二端口网络) 的额定输出功率与额定输 入功率之比，可表示为： k 朋h = 艺e ( 3 5 ) 放大器不匹配时，仍然存在额定功率增益。因此噪声系数f