（材料学专业论文）基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究.pdf

摘要 电子器件的电噪声，特别是低频噪声是制约器件灵敏度和精度的关键指标， 同时也是表征器件质量和可靠性的敏感参数。电子器件的可靠性与其低频噪声特 性密切相关，使用噪声测试方法能够对器件可靠性做出评价“1 。而噪声的研究受限 于噪声测试技术的敏感性。目前有关此方面的研究仍是一个非常活跃的领域，尚 待解决的问题仍然很多，比如超低阻器件低频噪声的检测与分析技术、具备复杂 电路模块器件低频噪声的检测与分析技术等等。 本文在电噪声测量技术基础理论详细研究与分析的基础上，结合我实验室具 体情况，实现了基于锁相放大器的交流电桥噪声测试系统，并对此测试系统进行 了验证和应用。使用本锁相放大器测试系统获取了厚膜样品和铝互连电迁移样品 的电噪声参数数据，并对本系统测试结果与实验室原有系统测试结果进行了分析 对比，取得了以下研究成果： 1 、系统的分析了电子元器件电噪声测试方法。 2 、在实验实践和理论研究基础上总结了噪声测试中应该注意的具体实验技 术。 3 、提出了一种基于锁相放大器的抑制背景噪声的方法。 4 、组建了一套基于锁相放大器的测试系统，极大的提高了电噪声测试的精度， 使可测试样品的范围从大于1 0 0 欧姆扩大到1 0 欧姆甚至是几欧姆，对检测低阻低噪 声样品有重要意义。 关键词：锁相放大器低频噪声测试5 端交流电桥调制解调 t h en o i s ei n s i d et h ee l e c t r o n i cd e v i c e s ( e s p e c i a l l yt h el o w f r e q u e n c yn o i s es u c ha s 1 fn o i s e ) i st h ek e yf a c t o rl i m i t i n gt h es e n s i t i v i t ya n d p r e c i s i o no ft h ed e v i c e s a n da t t h es a m et i m e , i ti st h ei m p o r t a n ts e n s i t i v ep a r a m e t e rt oc h a r a c t e r i z et h eq u a l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ed e v i c e s r e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cd e v i c e si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h e l o w f r e q u e n c yn o i s e n o i s em e a s u r e m e n t ne v a l u a t et h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e d e v i c e s u pt on o w , t h ef i e l do fl o wf r e q u e n c yn o i s ei sav e r ya c t i v i t yf i e l d t h e r ea r e a l s om a n yp r o b l e m st ob es o l v e d s u c ha s ：t h em e a s u r e m e n to fl o wi m p e d 姐c ea n dt h e e l e c t r o nd e v i c et h a th a v ec o m p l e xc i r c u i t o nt h ec a r e f u l n e s ss t u d yo fm e a s u r e m e n tt e c h n i q u eo fl o wf r e q u e n c yn o i s e , b a s e d o uo u rl a b o r a t o r yc o n d i t i o n , ib u i l tu pan o i s em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nl o c k - i n a m p l i f i e r f u r t h e rm o l - e ，t h i sl o c k - i na m p l i f i e rs y s t e mw a st e s t e da n da p p l i e d n o i s ed a t a o ft j l j c kf i l mr e s i s t o rs a m p l ea n da ii n t e r c o n n e c ts a m p l ei sa c q u i r e db a s e do nt h i sn o i s e m e a s u r e m e n ts y s t e m 。c o m p a r i s o nb e t w e e nd a t aa c q u i r e db yf l e ws y s t e ma n dd a t a a c q u i r e db yo l ds y s t e mw a sc a r r i e dt h r o u g ha n dic h i e f l yg i v es u c hc o n t e n ta s 1 a n a l y z i n gt h em e a s u r e m e n to fl o wf r e q u e n c yn o i s eo fe l e c t r o nd e v i c e s s y s t e m i c a l l y 2 ，b a s i n g 蚰m yo w ne x p e r i m e n t a t i o na n dn o i s em e a s u g e m e n tt h e o r y , ig a v e s o m ee x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g yo fn o i s em e a s u r e m e n t 3 o i v i n ga5 - p o r ta cb r i d g em e t h o db a s e do nl o c k - i na m p l i f i e rw h i c hc a r e s t r a i nb a c k g r o u n dn o i s eo fp a r c l l 3 4 s u c c e s s f u l l yb u i l d i n gu pan o i s em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do ul o c k - i n a m p l i f i e rw h i c hi m p r o v e dm e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n ds u c c e s s f u l l ys e p a r a t e o u tt h ec o n t r i b u t i o no ft h eb a c k g r o u n dt ot h em e a s u r e dn o i s e t h i ss y s t e mc a n m e a s u r e m e n tm e t a lf i l mr e s i s t o ro fi o q t h e r ew i l lb es i g n i f i c a n c eo nn o i s e m e a s u r e m e n ti nl o wi m p e d a n c ed e v i c e s k e y w o r d ：l o c k - i na m p l i f i e r ；l o wn o i s em e a s u r e m e n t ；5 p o r ta cb r i d g e ；m o d u l a t e a n dd e m e d u l a t e 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，除了文中特剐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：赵：鼠 日期：上生盈_ 厶2 臣一 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：赵垂因 导师签名：叁刍 日期：2 盟厶兰星 日瓤翌丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电子器件噪声测试的意义 电子器件的电噪声，特别是低频噪声是制约器件灵敏度和精度的一个关键指 标，同时也是表征器件质量和可靠性的一个重要敏感参数。对电子器件内部噪声 的检测与分析是保障元器件可靠性的一个有效手段，电子器件的可靠性指标与其 低频噪声特性密切相关，使用噪声测试方法能够对器件本身可靠性指标做出一定 评价“1 。因此，电噪声成为电子器件可靠性评价和筛选的一种简单而有效的手段。 它具有下列特征： ( 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，主要 是由材料和器件的本征性质决定；过剩噪声在低频段显著，也称为低频噪声，通 常包括1 矿噪声与g - r 噪声，主要是由材料或器件的不完整性决定的。大量的研究已 经证明，绝大多数不完整性( 尤其是潜在缺陷) 的存在都引入过剩噪声，而且噪 声大的器件，可靠性必然差 ( 2 ) 高度灵敏性。噪声实际上是系统偏离平衡状态程度的一种度量。当器件 的微观结构、电子状态或杂质分布随时问的延伸或受应力的作用而有微小变化( 甚 至是原子尺度的变化) 时，噪声都会有明显的变化。在同一设计和工艺条件下同 批制造出来并已通过常规检测的器件中，噪声的差距却很大，这就是噪声对杂质、 缺陷和损伤敏感性的一个佐证。 ( 3 ) 非破坏性。噪声测量所加的电流和电压，非常接近于或远远低于器件正 常工作的应力水平，故噪声测试是无损的。通常用于可靠性评估的加速寿命试验 方法，需要加高温或强应力，难免会给器件造成损伤；而且它是针对从大批器件 中随机抽样得到的少数器件进行的，获得的是统计结果，具有一定的不准确性。 而噪声测试却可以对单个器件进行检测，不需要大批量样品和统计分析方法。 ( 4 ) 检测速度快。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。 正是由于具备以上突出的优点，噪声作为电子器件可靠性的表征方法和电路 模块的诊断检测工具在国际上已得到相当广泛的研究和应用尤其是以1 ，噪声 和g - r 噪声为主的低频噪声广泛存在于各种组分和结构的电子材料和元器件中；同 时，又敏感反映了电子材料和器件中的潜在缺陷，而这些缺陷用现有的测试手段 往往又难以表征，而噪声的研究受限于噪声测试技术的敏感性。前置放大器等测 2基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 试仪器的背景噪声、偏置电源扰动等都会对测试结果产生很大影响，甚至造成错 误的测试结果。 1 2 电子器件噪声测试的国内外现状 在我国无论是在噪声的基础研究还是在噪声测试方面都十分的薄弱。噪声研 究首先要提出的问题就是噪声的测量问题。因为测量仪器本身的噪声具有1 f 噪声 的特点，要从样品中精确地得到电导噪声的功率谱是一件非常困难的事，当样品 的噪声较小时更困难，极易受测量电路、测量仪器等自身噪声的影响。使测试的 结果不精确不准确，甚至可能被测试系统的背景噪声完全淹没。在国内，基于锁 相放大器的噪声测量还很少见，而且是把锁相放大器作为信号发生器和带通滤波 器来使用“1 嘲，检测精度不高。和传统的直流测试方法相比只能检测某一频率点的 噪声电压幅值，不能得到噪声信号的时间序列，采集速度较慢。在国外，由于传 统直流测试方法的不足，提出了一种基于锁相放大器的交流电桥测试方法，检测 精度大大提高，检测精度达到了1 0 4 ，2 h z 。1 ，而且检测样品的阻值仅有几十欧姆。 使可检测低阻样品的范围有了很大提高。目前，在国外基于锁相放大器的5 探针交 流测试方法成为低阻低噪声器件噪声测试的热点。“3 】”由于这种测试方法在长时 间测试，特别是在加有大直流电流进行同步老化测试的情况下，电桥极易失去平 衡，导致锁相放大器过载。为了解决这种问题，对交流平衡电桥和测试条件进行 了改进，例如增加另一个平衡电桥消除输入到锁相放大器中的偏移量；把测试电 路放在液氮环境中测试嘲，使电桥保持恒定的温度，这样就不会因为电桥温度的变 化，导致电桥失去平衡，因而消除了锁相放大器过载情况的发生。 1 3 论文总体结构 本文共分为五章，各章内容安排如下： 第一章绪论。对本课题的研究背景、研究内容及意义进行概述。 第二章锁相放大器、噪声基础、常用测试技术及调制与解调。详细介绍了锁 相放大器、电子器件低频噪声分类、表征参数、常用噪声测试电路和 振幅调制与解调。 第三章基于锁相放大器的噪声测量系统。分别介绍了噪声测量中锁相放大器 应用的目的、噪声测量方案设计和系统实现。 第四章基于锁相放大器的噪声测量技术验证与应用。包括测试结果的分析和 正确性验证与评价 第五章结论与展望。简要概括了论文的主要内容和结论，并展望了下一步的 第一章绪论 3 工作 第二章锁相放大器、噪声基础，常用测试技术及调制与解调 5 第二章锁相放大器、噪声基础，常用测试技术及调制与解调 2 1 锁相放大器 锁相放大器用来检测被淹没在噪声中的微弱信号，可以说“锁相放大器”是一种 专门测量微弱信号的( 特殊的) 交流电压表。锁相放大器相当于是一个中心频率， 的带通滤波器，其区别是锁相放大器输出为，频率的正弦信号幅度，而不是正弦波。 因此，只要改变震荡源频率，就相当是一个可变中心频率的带逶滤波器。从而实 现对噪声谱测量哪。 2 1 1 锁相放大器工作原理 锁相放大器采用在无线电电路中已经非常成熟的外差式振荡技术，把被测量 的信号通过频率交换的方式转交成为直流。锁相放大器原理如图2 1 所示。 馥测量偿等 s i n ( o t + c r ) 参照髂号 s i n ( o t + 声) c o s ( b a ) 2 一8 豫t + a + b ) 2 图2 1 锁相放大器原理示意图 在外差式振荡技术中被称为本地振荡( l o c a lo s c i l l a t i o n ) 的、用于做乘法运算 的信号，在锁相放大器中被称为参照信号，是从外面输入的。锁相放大器能够( 从 被测量信号中) 检测出与这个参照信号频率相同的分量。在被测量的信号里所包 含的各种信号分量中，只有与参照信号频率相同的那个分量才会被转换成为直流， 因而才能够通过低通滤波器( i j p f ) 。其他频率的分量因为被转换成为频率不等于 零的交流信号，所以被低通滤波器( l p f ) 滤除。在频率域中，如图2 2 所示。 6 基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 图2 2 频率域中锁相放大器工作示意图 锁相放大器对于噪声的抑制能力，是由上图中低通滤波器( i j p f ) 的截止频率 来确定的。例如，在测量1 0 k h z 的信号时，如果使用l m h z 的低通滤波器( l p f ) ， 那么就等效于在使用1 0 k h z _ * l m h z 的带通滤波器时的噪声抑制能力如果换算成 为q 值，就相当于5 x 1 0 6 。要想真正制造这样高的q 值的带通滤波器，那是不可 能的。但是，使用锁相放大器，这就很容易实现了。 如同前面所解所说的那样，在使用通频带非常狭窄的带透滤波器( b p f ) 时， 如果其中心频率与被测量信号的频率有所偏离，那么就会产生测量误差，最糟糕 的情况下可能会把被测量信号也滤除了。 与这种情况相比较，对于锁相放大器来说，即使低通滤波器的截止频率多少 有些偏离，只要还能够让直流通过，那么对测量结果也不会有大的影响。与带通 滤波器相比较，锁相放大器更容易实现通频带非常狭窄的低通滤波器，不管通频 带多么狭窄都能实现。由此可见，锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被 掩埋的信号。 2 1 2 实际的锁相放大器 使用p s d ( 相敏检波器) 作为乘法器。如前面所解说的那样，频率变换是通 第二章锁相放大器、噪声基础，常用测试技术及调制与解调 7 过乘法运算来进行的。一般的乘法运算模拟电路，其线性程度和温度稳定性都存 在问题。所以，在实际的锁相放大器中，采用开关元件进行同步检波，由此实现 频率变换。由开关元件所进行的同步检波电路，称作p s d ( 相敏检波器，p h a s e s e n s i t i v ed e t e c t o r ) ，这是组成锁相放大器的心脏部分。如图2 3 所示。 一黼1 孓田乎籼 。畛一黜 参黧馈鼍j 1 图2 3 实际锁相放大器工作示意图 采用方波作为参照信号，与参照信号同步使被测量信号的极性翻转，也就是在 x l x ( 1 1 这两者之间进行切换。 本测试系统使用的锁相放大器是美国s i g n a lr e c o v e r y 公司生产的7 2 6 5 d s pl o c k - i n a m p l i f i e r 。本锁相放大器具有噪声低、精度高、功能多等特点。 7 2 6 5 是双通道放大器，带有一个高精度和高稳定的精准振荡源，在检测信号的同 时能够同步检测出背景噪声信号。锁相放大器7 2 6 5 组成框图如图2 4 所示“”。 2 1 3 相位调节 图2 4 锁相放大器7 2 6 5 组成框图 如图2 5 所示，p s d 的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差， 8基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 而产生很大的变化。由此，低通滤波器( i j p f ) 的输出信号( 也就是锁相放大器测 量所得到的值) 也会产生变化。 相慷麓矿椭位麓9 盯相挺麓18 0 蕾测量信妒k = j f 。蟛 d 、玲x ：俄忿一 参黑信号 p s u i * j 输出 + i p f 的输出 矾瓣”跚 d 擞。礤代卜：& 毛夫又夫多一 垒 图2 5 锁相放大器相位调节示意图 除了相位差为0 。之外，在其他状态下不能很好地测量被测信号的大小。这样， 就需要把参照信号与被测量信号之间的相位差调节到o o ，然后再输入到p s d 。这 个相位调节的电路，称作移相电路( p h a s es h i f t e r ) ，是锁相放大器中必不可少的电 路 p s dl p f 镶溅羹镳号 参照 妻号 m j l 馏糖s t a r e r 图2 6 锁相放大器移相示意图 输出 上述的锁相放大器，称作单相位锁相放大器。为了能够正确地测量振幅和相位， 需要有能够调节移相电路的相位调节部分。另外，如果将参照信号的相位移动9 0 。， 使用两个p s d ，那么也可以组成不需要调节相位的双相位锁相放大器。 2 2 电子器件低频噪声分类和表征参数 2 2 1 电子器件低频噪声的分类 第二章锁相放大器、噪声基础，常用测试技术及调制与解调 9 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“1 嘲，可分为热噪 半导体器件噪声 ， i 约翰逊噪声 l 热噪声1 一 l 扩散噪声 白噪声 ir 低频散粒噪声 l j 敢粒噪声i l 高频敌粒噪声 低频噪声 ( 有色噪声) g - t 噪声 1 f 嗓声 i 复合噪声 1 l 弊发噪声 r i 基本l 锺噪声 1 l 非基本l 成噪声 图2 7 电子器件低频噪声分类 声，散粒噪声，g r 噪声和l ，噪声四大类，如图2 7 所示。一般的频率范围内， 热噪声和散粒噪声的功率谱密度与频率无关，统称为白噪声。1 ，噪声和g - r 噪声 则与频率有关，前者与频率成反比，后者则按不若了万规律变化( 其中而为转折 i tj | j e 频率) ，这两种噪声统称为有色噪声。由于这两种噪声通常在低频情况下显著，也 称为低频噪声。 热噪声起源于晶体中载流子的随机热运动，广泛存在于各种电阻性元器件之 中。热噪声的大小只与电阻和温度有关，即使器件没有电压和电流，也同样存在； 敖粒噪声、g - r 噪声和1 矿噪声则与器件的电流和外加电压有关，一旦电流或电压 消失，这些噪声也就不复存在。 散粒噪声起源于载流子跨越势垒的随机性，因此只存在于载流子运动受控于 某种势垒的器件中，如金半接触的肖特基二极管，具有p n 结势垒的双极晶体管 等。m o s f e t 和j f e t 的载流子运动沟道中无势垒存在，所以基本上没有散粒噪声。 热噪声和散粒噪声是器件的基本工作原理决定的，从本质上看是不能彻底消除的， 而g - r 噪声和l 矿噪声在很大的程度上是器件的杂质与缺陷引起的例呻“1 。从这个 意义上讲，低频噪声往往反映了器件内在质量和可靠性的优劣。 1 0 基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 2 2 2 电子器件低频噪声表征参数 电子器件的低频噪声通常由白噪声，1 矿噪声和g - r 噪声三种分量构成。其功 率谱密度可写成为“： s ( i ) 一a + b i ，7 + c u + 【f ，j 尸j ( 2 1 ) 共有六个表征参数，即白噪声的幅度a ，1 i 噪声的幅度b 和频率指数因子r ， g - r 噪声的幅度c ，转折频率而和指数因子口不同的噪声分量以及各个分量的不 同表征参量往往具有不同的物理意义，对应于器件的不同结构特征和缺陷量。因 此，从实铡噪声频谱中分离出各种噪声分量，并精确地确定各个分量表征参数的 值，是对器件进行噪声物理分析的前提。 与热噪声，散粒噪声和g - r 噪声相比较，1 矿噪声研究有着更为重要的学术意 义和更大的应用价值。从广义上讲，凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现 象均可称为1 矿噪声。图2 8 便是一典型的1 矿噪声功率谱图。 毫- 毪 囊 、 饥 ”、 i h 。 ， 出盈 i il ，_ 一 细率( 嘲 图2 8 典型1 f 噪声功率谱图 l ，噪声具有两个基本特征： ( 1 ) 在一个相当宽的频率范围内，1 矿噪声的功率谱密度与频率成反比。 ( 2 ) 1 f , 噪声电压或电流的功率谱密度近似与通过器件的电流的平方成正比。 l 矿噪声主要有表面载流子数涨落模型和迁移率涨落模型两种”。大量实验表 明，半导体器件的表面状态对其1 ，噪声有关键影响。1 9 5 7 年，迈克霍特( m c w h o r t e r ) 提出了表面载流子数涨落模型。1 ，对半导体的1 矿噪声的起因首次作了解释，他认 为这种涨落是由半导体导带或价带的载流子通过隧道贯穿与表面氧化层中的陷阱 相互作用引起的。位于半导体氧化物界面附近几个纳米范围内的氧化层中的陷阱 与半导体内交换载流子的时间常数，可在一个相当宽的频率范围内分布。已测得 第二章锁相放大器、噪声基础、常用测试技术及调制与解调 1 1 的范围达1 0 r 6 至1 0 5 秒，这个范围正好与观测到的1 ，噪声的频率范围 ( f 1 0 石h 弘1 旷h z ) 相一致。氧化层陷阱可与半导体体内交换载流子，直接引起半导 体导带电子或价带空穴的涨落1 9 6 9 年胡格总结了对于各种金属和半导体电阻中 1 矿噪声的测量结果，提出了一个著名的经验公式： 掣掣纽( 2 2 ) l z 甜 烈 。 。 称为胡格公式。式中，是通过样品的电流；r 是样品的电阻；是样品中的 载流子总数；口押一，j 一( ，) 以2 ，是由迁移率涨落决定的。在分别用体迁移率涨 落模型和表面载流子数涨落模型对许多具体材料和元器件进行计算，并与实测特 性相比较后，大家倾向于这样认为：通常这两种机构同时存在，究竟哪一种机构 占主导地位，必须用实验来确定不过，在大多数情况下，只有通过改变器件结 构或改善表面状况，使表面载流子数涨落引起的1 矿噪声降低到可以忽略的程度以 后，迁移率涨落才成为1 矿噪声的主导机构。 电子器件中1 圹噪声电压的功率谱密度可写成以下形式“”： s ( ，) - 4 1 f 7 ( 2 3 ) 式中，为通过器件的电流，为频率，参数彳由器件结构特性决定；常数r = o 弘1 2 ， 典型值为1 0 ；= 2 o ( 均匀材料) 或1 0 - 2 0 ( 结构较复杂的器件) 。经典的方法用功 率谱密度和r 指数表征信号前者反映了信号的能量，后者反映了信号的频率特 性和分形性质。 2 3 1 直流测试电路 2 3 电子器件低频噪声测试电路 图2 9 为一种简单实用的直流偏置噪声测量系统m 1 ，图中样品由低噪声电池组 供电，耦合电容将样品噪声序列y o ) 送至低噪声前置放大器中，经过数据采集卡采 集，利用计算机虚拟仪器对噪声序列进行处理获得噪声序列的自相关函数r o ) 和 功率谱密度墨( ，) 。这种方式简单且易于实现。实验中，整个系统应被放入屏蔽室 中以保证噪声测量不受外晃的电磁干扰； 基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 厂卜 踺 隹e 嗡声辩 i | 计曾撬鹰摧位 嚣缝j 莹蕺缝霞睦 鐾 l ：卜- 骥痨睁列较太艇缝理暴统 图2 9 简单直流偏置噪声测量系统 通过采用低噪声电池组，低噪声金属线绕电阻，充分的焊接以降低偏置电路 其它元件产生的噪声对样品噪声测量的影响；通过选择合适的偏置电流、测试环 境温度、低噪声前置放大器等等，如果需要也可以增加阻抗匹配变压器便可以以 较高的精度测量电子器件低频噪声。这种简单的直流偏置噪声测量技术具有以下 几个缺点，当用来测量阻值比较小的电子器件噪声时这些缺点尤为突出“”： 1 、电池组噪声直接加到样品噪声序列中。 2 、电子元件低频噪声测试的最低频率受到耦合电容c 和低嗓声前置放大器输入阻 抗民组成的瓦c 滤波器最低导通频率限制。 3 、噪声测试的灵敏度受到背景噪声( 在低频范围内主要有前置放大器背景噪声组 成) 鼠( ，) 最小值限制，瓯( ，) 远大于器件热噪声幅度。 虽然简单的直流偏置噪声测量方法具有以上几个缺点，但是因为其简单易操 作性，当电子器件噪声较大( ( ，) 21 0 “v 2 h z 4 ) 时都采用这一方法“”。 2 3 2 交流测试电路 当电子元器件噪声特别小时凡( 厂) 墨1 0 。1 7 v 2 h z 。1 时，因为此时电子器件噪声与 前置放大器背景噪声处于同一数量级，而传统简单直流偏置方法对于放大器背景 噪声不易去除。为了准确得到电子元器件低频噪声，人们不得不研究其它测量技 术，正是在这种背景下交流偏置测试方法被提出。直流偏置电路的很多缺点在交 流偏置时就不复存在，比如说噪声测试的灵敏度就不会再受到背景噪声鼠( ，) 最小 值限制。交流偏置电路测试系统中，通过选择适当的锁相放大器的载波频率，使 得系统( 放大器) 在具有非常低噪声的情况下进行噪声测试；锁相放大器能同时 记录背景噪声信号和总信号，通过二者相减，可以准确得到样品的实时噪声信号。1 。 图2 1 0 为一种5 探针交流电桥测试方法示意图。样品中心接地，被测样品被 分成大约相等的两部分，这两部分组成了交流电桥下面的桥臂，低噪声线绕电阻 组成了交流电桥上面两个桥臂。上臂阻抗的选择要远远大于样品的阻抗，这样通 第二章锁相放大器、噪声基础，常用测试技术及调制与解调1 3 过样品的电流就取决于线绕电阻的阻抗通过调节可调低噪声的小电容，使得电 桥的两边电流相位和幅度相同，这时进入放大器的信号就只有样品上的噪声信号， 噪声信号通过样品两端4 个探针中的两个进入放大器( 对于较低阻抗样品rt 1 0 0 q 需要增加低噪声变压器) 。这种平衡下，进入放大器的信号只有电导涨落的信号。 这种5 探针技术降低了温度漂移对噪声的影响，因为温度漂移量在样品两端相同， 这样当载波频率为放大器最佳工作频率 ( 此时放大器的噪声非常小) 下噪声谱 可以出现在，s l o m h z 的低频状况下，因此可以探求大约l m h z 左右的功率谱。 图2 1 0 一种五探针交流测试方法示意图 交流偏置测试方法的简单流程：锁相放大器产生具有较低噪声的频率f o ( 此 频率的选择取决于前置放大器最佳工作频率) 的交流信号，通过电桥平衡，样品 噪声信号( 经阻抗匹配变压器、前置放大器后) 进入锁相放大器，锁相放大器输 出信号进入频谱分析仪或经数据采集卡采集进入计算机利用软件进行处理。锁相 放大器的输出信号的功率谱如( 2 4 ) 所示 ，( ，6 ) - 四i s ? c l 一，) + ( ，三叶坶( f ) c o s 2 0 ) 1 ( 2 4 ) 其中，品o ( 兀一f ) 为背景噪声功率谱，。为偏置电流有效值，五为偏置电流频率， ，为噪声信号频率，s ，( ，) 为电阻涨落功率谱，6 为输入锁相放大器电压函数相位 角，昂( ，) 一，。2 s ，( ，) 就是样品的电压噪声功率谱。如果前置放大器噪声或其它噪 声较低或可以准确的估算和去除，j h s o n 噪声( & 。一4 k n t r 2 1 ) 就是低频背景噪 声的主要成分。因为样品被分为相同的两部分，分别作为交流电桥的两臂，而这 两个桥臂上j h s o n 噪声大小近似相等，因而通过电桥平衡的方式提取样品噪声时 1 4基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 样品上的j h s o n 噪声被抵消。所以通过上述5 探针技术可以比较有效的减少 j h s o n 噪声的影响。 当d 一0 时，罗，( ，o ) g 0 2 一品o + 昂( ，) ，锁相放大器输出信号包含了样品噪 声和背景嗓声：当6 - 詈时，( ，2 ) c ? 一品。，锁相放大器输出信号仅包含了 背景噪声。这样通过对两次相位角下噪声功率谱值相减，我们可以准确地得到样 品的噪声。 这种低频噪声的交流电桥测试方式虽然可以有效的消除背景噪声甚至热噪声 ( j h s 0 n 噪声) 对样品噪声的影响，几乎没有干扰地测量出电子元器件的低频噪 声，但是因为要在电桥平衡的情况下进行，而要使电桥完全平衡并不是件很容易 的事，加上要通过探针将样品电阻平分也比较困难，所以在一般的情况下，只要 样品噪声不是特别低，都不采用这种方法进行噪声测量实验。 2 3 3 其他测试电路 通过上一节可以知道，当样品噪声非常小时噪声测试应该采用交流偏置测量 技术测量样品噪声。但是有很多时候样品噪声的测试又必须要在加直流电流应力 的条件下测试噪声，例如要观察电迁移现象时样品噪声的测量，在非线性传导系 统中，为了得到所需特性通常需要测量不同电流值时的样品噪声。对于上述情况 如何能在保证噪声测量的准确性? 于是在直流偏置的基础上应用交流偏置技术的 测量方法被提出。图2 1 1 为一种直流偏置下应用交流测试技术的示意图。 p r e a m p l i f i e r 图2 1 1 直流偏置下应用交流测试技术示意图 第二章锁相放大器、噪声基础，常用测试技术及调制与解调 1 5 图中的电容和电感器用来减弱交流和直流源的震波，防止直流信号进入前置 放大器。这里必须确保电容和电感器没有影响放大器的增益和相位，没有给功率 谱带入额外信号事实上这种影响也是不存在的“”，通过在室温环境，对比在仅 有交流偏i t ( j d e = 0 ) t 钓情况下对金属薄膜的测量数据，以及利用电容和电感都存在 和都不存在的情况下测量数据就可以确定。在所有情况下，测量的数据都基本相 同如图2 1 2 所示 霄 童 己 o 图2 1 2 不同情况下测试所得噪声 为了消除背景嗓声的影晴，特别是前置放大器的蛳噪声，一个交流信号源被 用来转换测量的频率，从直流到交流载波矗。这个载波频率远大于5 0 h z 工频谐波 的拾取范围。在低频范围内，前置放大器的1 ，噪声是显著的。电阻涨落调制载波 产生单边带。载波频率的选择由前置放大器噪声低的频率范围所决定。前置放大 器对背景的影响只是一个非常窄的频段。w e s s m a n 和s t o l l 提出了一个单载波频率 的平衡电桥，在这个技术中，载波被两个相敏探测解调，两个相敏探测器相差9 0 。 该方法的优点是克服了温度漂移和电源噪声。它允许使用电流源代替电池来测试 样品如果两个样品阻值不相等，在电桥平衡后，由于电流大小不一样，发热不 一样，电阻的变化就不一样，就能够导致电桥平衡的失调。同时在电抗方面的平 衡：交流电桥的输出中包含了相当客观的电抗性成分，也会导致电桥的不平衡。 不平衡出现在放大器的输入处，经过放大器放大，因此为了避免过载限制了更高 的测试精度。有的测试电路中为了避免过载，使用了一个小的可变电容，然而， 在直流加交流测试方法中，在样品和变压器之间使用了一个大的隔直流电容，使 用小的可变电容变的不重要了因为这个大电容使得系统的电容性的成分大于电 感性的成分。因此，不能够通过增加小电容来消除偏移量。 通过图2 1 3 所示的直流交流电桥系统，这些困难被解决了 基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 图2 1 3 a c i m ：测试系统框图 测试样品偏置桥有两个控制电位计，对于不同的低阻样品，允许单独的调整 直流和交流的大小单独的控制直流和交流能够在噪声测试前达到电桥的平衡。 电抗性的偏置桥包含了线绕电阻、两个电位计和一个小电容。通过改变电位计的 设置，这个电桥能有效消除输入到锁相放大器中的偏移量。两个桥的输出通过两 个小的阻抗匹配变压器。为了达到最大的灵敏性。输入到锁相放大器中平均信号 应该尽可能的接近零。通过联合调节交流电位计和直流电位计，可以实现输入到 锁相放大器中平均信号接近于零。交流直流电桥系统与交流电桥系统长时间相比 可以获得更好的灵敏度和稳定度。直流交流测试系统允许我们测量所有封装类型 的金属薄膜样品及晶圆级的金属薄膜样品。 2 4 振幅调制与解调 所谓调制，就是用调制信号去控制载波某个参数的过程。调制信号是由原始 消息转变成的低频信号，这些信号可以是模拟的，也可以是数字的，通常用砧。表 示。未受调制的高频振荡信号称为载波，它可以是正弦波，也可以是非正弦波， 如方波、三角波、锯齿波等；但他们都是周期信号，用符号表示。受调制后的 振荡波称为已调制，它具有调制信号的特征。也就是说，已经把要转送的信息载 到高频振荡信号上去了。解调则是调制的逆过程，是将载于高频振荡信号上的调 制信号恢复出的过程。 第二章锁相放大器、噪声基础、常用测试技术及调制与解调 1 7 2 4 1 振幅信号调制原理 设载波电压为 “，一u 。c o s 吐t ( 2 5 ) 调制电压为 = u 口e o s q t ( 2 6 ) 通常满足q q 。根据振幅调制信号的定义，已调信号的振幅随调制信号 线性变化，由此可得振幅调制信号幅度u 。o ) 为 玑( f ) 一u c + a 以( f ) 一玑+ 七。u a c o s q 一玑( 1 + 肼c o s 国) ( 2 7 ) 式中，a u 。o ) 与调制电压h 。成正比，其振幅u c 一屯u 。与载波振幅之比称为调制 度 。 - 9 l 一u 。u 。一七。，口以 ( 2 8 ) 式中，t 为比例系数，一般由调制电路确定，故又称为调制灵敏度。由此可得调 幅信号的表达式 m f 1 7 ( t ) e o s , o j u 。0 + m c o s q t ) c o s c o j ( 2 。9 ) 为了使己调波比不失真，既高频振荡波的振幅能真实地反映出调制信号的变 化规律，调制度埘应小于或等于1 。 由式( 2 9 ) 可以看出，要完成a m 调制，可用图2 1 4 的原理来完成，其关键 在于实现调制信号和载波的相乘。 。 “q 一“捌m “q 一“捌v ( a ) 2 4 2 调幅信号的解调 图2 1 4 a m 信号的产生原理图 “4 ( b ) 从高频已调信号中恢复出调制信号的过程称为解调，又称为检波。对于振幅 调制信号，解调就是从它的幅度变化上提取调制信号的过程。解调是调制的逆过 程，实质上是将高频信号搬移到低频端，这种搬移正好与调制的搬移过程相反。 搬移是线性搬移，故所有的线性搬移电路均可用于解调。 1 8 基于锁相放大器的噪声铡试系统与测试技术研究 振幅解调方法可分为包络解调和同步检波两大类。包络检波是指解调器输出 电压与输入已调波的包络成正比的检波方法。由于a m 信号的包络与调制信号成 线性关系，因此包络检波只适用于a m 波。d s b 和s s b 信号的包络不同与调制信 号，不能用包络检波，必须使用同步检波。为了正常地进行解调，恢复载波应与 调制端的载波电压完全同步( 同频同相) ，这就是同步检波名称的由来。同步检波 也可以解调a m 信号，但因它比包络检波器复杂，所以很少采用。 同步检波又可以分为乘积型( 图2 1 5 ( a ) ) 和叠加型( 图2 1 5 c b ) ) 两类。锁相 放大器就是属于乘积型的，如图2 1 6 所示。 u , - - 被溅蠹瞧学 s i n ( w t + a ) 参照髂等 s i n ( = “| 1 日) 一p 囤叫 图2 1 5 同步检波器 c o s ( b 一口) 趁 - c o s ( 2 t + a + b ) 2 图2 1 6 锁相放大嚣原理示意图 第三章基于锁相放大器的噪声测量系统 1 9 第三章基于锁相放大器的噪声测量系统 3 1 噪声测量中锁相放大器应用的目的 电子材料和元件的噪声极其微弱，一般要比有源器件的噪声小1 到2 个数量 级此外，测试系统本身也有电噪声，被测样品噪声常常淹没在系统噪声之中 因此，电子材料与元器件噪声测试极为困难，特别是低阻样品噪声测试采用常规 低噪声前置放大器方法几乎不能检测。例如，薄膜样品在5 0 欧姆以下，厚膜电阻 在4 0 欧姆以下，用常规的直流测试方法几乎不能检测。而本锁相放大器测试系统 成功的解决了这一难题，实现了对1 0 欧姆厚膜样品的测量。实验测试噪声谱的 核心问题就是利用软件和硬件技术消除其他非待测器件的电噪声。因此，噪声方 案设计的目的就是选用合适的电子器件搭建合适的偏置电路、选用低噪声仪器、 适当的测试方法及数字信号处理的方法尽可能准确获得待测器件自身的噪声信 号，为器件失效机理的分析和无损检测提供可靠的数据。 本测量系统中，应用锁相放大器主要有三个作用：( 1 ) 作为载波，调制待测 器件的电噪声信号；电子材料和元件的噪声极其微弱，一般要比有源器件的噪声 小1 到2 个数量级，同时前置放大器的背景噪声与待测器件的噪声相比又较大， 特别是低频部分，甚至比待测器件的嗓声信号还大。因此，利用传统的直流测试 方法得到的测试结果往往是前置放大器的背景噪声利用第二章介绍的调制原理 和交流测试技术，把待测器件的噪声信号线性搬移到前置放大器背景噪声最低的 频率段，从而使叠加到待测器件上的背景噪声非常的小，避免了被前置放大器背 景噪声淹没情况的发生。( 2 ) 解调己调制的待测信号，减少前置放大器背景噪声 的影响；由( 1 ) 知道进入锁相放大器的信号为已调制信号，为了得到待测器件的 原始信号，需要对信号进行解调。由第二章介绍的解调原理可知，锁相放大器的 相敏检波器和低通滤波器组成一个同步检波器，对已调制信号进行解调。( 3 ) 放 大噪声信号。由于待测器件噪声信号极其微弱，需要进行足够的放大。由第二章 锁相放大器一节知道，锁相放大器具有a c 放大器，可以对已调制信号进行再次放 大。 基于锁相放大器的噪声测试系统与测试技术研究 3 2 基于锁相放大器的噪声测试方案设计 3 2 1 噪声方案总体构思 传统测量i f 噪声的测试方法，如图3 。1 所示。直流电流穿过样品，被电容器 所过滤阻挡。交流部分即样品的噪声通过电容器耦合，经前置放大器放大( 样品 具有较高的阻抗) ，对于金属样品则是经过低噪声变压器。功率谱和时间序列都可 以通过数据采集卡系统得到。此测试方法的优点是构建简单。但是此4 端直流测 试方法有四个重大的缺陷：( 1 ) 测试的微弱噪声( 跏i ，) 1 0 “y 2 h z - 1 ) 容易被前 置放大器和一些其他的背景噪声所淹没。( 2 ) 由于低频段功率谱的测试必须进行 长时间的数据采集，而此过程背景噪声本身就在变化，之前对背景噪声的估计必 然是错误的。( 3 ) 温漂对噪声的影响。( 4 ) 电池组噪声直接加到样品噪声序列中。 通常如果功率谱跏( ，) 1 0 - 1 7 y 2 舷一，背景噪声相对较小且较稳定常常使用此方法。 直流4 端测试技术输出的功率谱如( 1 ) 式所示 s ，( 厂j - g 2 i s 。( 厂j + s ，“) 【，j 】 ( 3 1 ) 其中，s 。( 厂) 为背景噪声功率谱，将偏置电路断开，将前置放大器的输入端接地， 可测得前置放大器背景噪声功率谱s a d 。s ( ，) 为样品两端的噪声功率谱密 度，g 为前置放大器增益。因为增益已知，前置放大器背景噪声可以测出。所以， 通过s ( ，) 就可以得到样品噪声功率谱m ，) 硼嘲。 n l ( _ 低噪声 致据采 l 芝 放大器 集系统 【 图3 1四端直流偏置噪声测量系统示意图 由于直流测试系统的不足，本测试系统分别进行了改进，首先在偏置电路方 面，本测试系统采用了第二章的5 端交流桥式测试方法，分别基本消除了直流测 试方法中( 3 ) 和( 4 ) 两条重大缺陷。由于采用了桥式电路，电路是对称的，两 个输入端的等效漂移电压也是相同的。从而对零点漂移起到了抑制作用，解决了 第( 3 ) 点不足。当电桥达到平衡时，c 、d 两端电压为零，电流源对输出信