[发明专利]一种便携式微弱电信号的低频噪声测试方法

说明书

本发明公开了一种便携式微弱电信号的低频噪声测试方法，其特征是：包括屏蔽室、防震台、屏蔽盒、偏置电路、放大电路、数据采集模块和数据处理模块。测试过程为：将样品置于低噪声偏置电路中，整体放入钼盒套铜盒的双层屏蔽单元中；通过施加偏置电压激发出待测样品的电噪声信号；噪声信号通过直流供电的低噪声放大器放大后，经基于USB接口的数据采集模块与数据处理模块，在笔记本电脑中完成时间序列和功率谱数据的存储与分析；将整个实验装置放于防震台上。本发明具有自动化程度高、背景噪声低、便携性强、应用广泛等特点。

技术领域

本发明属于低频噪声测量技术领域，涉及一种便携式微弱电信号的低频噪声测试方法。本系统由于具有自动化程度高、全系统直流供电而具有背景噪声低、便携性强的优点。

背景技术

低频噪声是电子材料和器件最重要的特性之一，决定了宽频电路的信号下限和光接收器的探测率，显著地影响到微波、光通信系统的性能。低频噪声的准确测量对于器件电路模型的建立与电子系统的低噪声化设计具有重要意义。

低频噪声来源于材料与器件物理特性的涨落，携带着大量信息，能较好地反应器件中发生的物理过程。在半导体材料与器件中，低频噪声与器件材料、缺陷和结构等参量存在内在联系，事实上，噪声测试已经成为半导体材料与器件中缺陷及潜在损伤的敏感表征手段，有助于深入研究器件质量与可靠性。通常对器件和系统的噪声测试都是偏置于其正常工作条件，因此对待测器件没有任何破坏性。噪声测试因为其灵敏度高、无损伤、速度快的优点在电子材料和器件的质量测试中得到了广泛应用。

材料与器件的低频噪声测试原本属于微弱信号的测量。需要进行专门的屏蔽设计以防止电磁干扰，对噪声信号进行放大以便于采集与分析。

目前的噪声测试系统主要有两种方案：

第一种是基于通用仪器搭建的硬件平台，先用前置放大器对被测噪声进行放大，用频谱分析仪测量噪声的功率谱，同时用数字示波器测量噪声的时间系列。测试仪器的精度依赖于各仪器之间的协同工作程度，由于各仪器之间在性能、标准和兼容性上有差异，存在无法保证测试系统整体测试精度的情况；通用仪器采集的信号频谱范围较窄，测试数据采集点少，计算误差较大；若频谱的傅里叶变换采用硬件方式，则测试速度较慢。不难看出，该系统需要的通用仪器较多，再加上屏蔽单元，整体造价高、重量重。

第二种是用软件替代第一种方案的部分硬件功能，依然用前置放大器进行放大，用PCI数据采集卡进行数据采集，信号输入个人台式机，在个人台式机中完成信号的时域波形显示及功率谱计算。该系统与前者相比，体积、重量有所减轻，且软件功能易升级。

为了防止电磁干扰，无论是哪一种方案，效果好的屏蔽方案为：待测元件连同偏置电路、低噪声前置放大器一起放入全封闭的金属机箱中，制作金属机箱的材质最好选用高导电、高导磁材料。之后再将金属机箱以及其它设备置于屏蔽室的环境下进行二次屏蔽。一种屏蔽室的设计方案为：由铜板和铜网构成，采用适当的保护接地措施，以降低外界电磁干扰和空间电场对噪声测试的影响，预防因外界干扰所产生的信号偏移等。当直流电信号及低频噪声本身较大时，比如MOSFET的漏极电噪声、双极晶体管的电噪声、电解电容等，器件的低频噪声会比背景噪声高两个数量级以上，屏蔽室对背景噪声的降低显得并不明显。对于低频噪声幅值小的金属互连、高阻材料，屏蔽室对微弱噪声信号的测量非常重要。在实际中，常常并不具备建立屏蔽室的条件。如果系统整体做得更小巧，使用者可以方便地将系统搬运到附近其它屏蔽室进行测量。另外，无论是哪一种方案，都需要引入工频交流电源，交流电源直接在测试环境中引入电磁场，如果放大器采用工频交流电源供电，工频交流电源本身的50Hz信号以及纹波信号很容易影响放大器的输出信号。工频交流电源的干扰加重了超高阻材料噪声测量的困难。此外，环境中的振动，会直接引起连接电缆的振动，增强背景噪声，较差情况下（比如有压缩机工作），会导致背景噪声直接淹没有用的噪声信号。

发明内容