CN110389290A - 一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统及方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子元器件测试技术领域，公开了一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统及方法和装置，包括：主控模块、输出模块、信号采集模块、噪声信号分析模块、电路或单元噪声分析模块。本发明提出了一套电子元件噪声测试系统的装置，并在电子元器件噪声测试的基础上，基于噪声综合参数提取和寿命评估分析研究，创新性提出了基于噪声的综合参数测试提取及对器件寿命进行表征评估的分析方法流程，提出了寿命和可靠性评估模型的建立方法，并设计开发了一套可以对电子元件以及集成电路模块进行噪声测试分析、噪声参数提取及电子元件寿命分析评估的系统，该系统可广泛应用于电子元器件的噪声测试和寿命及可靠性评估分析相关领域。

Description

一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统及方法和装置

技术领域

本发明属于电子元器件测试技术领域，尤其涉及一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统及方法和装置。

背景技术

半导体电子元器件是构成电子系统的基本单元，任何具有复杂功能的电子模块或系统均是由各种各样电子元器件的组合实现的。因此，电子元器件的质量、可靠性和寿命等也直接影响最终功能模块或系统的质量、可靠性和寿命。随着电子产品越来越渗透人类的日常生活，并且器功能和能力的日益强大，电子系统承担的作用和产生的影响也越来越大，如动车控制系统、无人驾驶系统等。人们对电子系统的可靠性和寿命要求也愈来愈高，但是目前对电子系统的基本单元，即元器件的寿命测试评估分析手段不能满足相关要求。

现有的测试方法包括环境适应性测试、老化试验、老化分析筛选等，其主要是通过加速应力的实验方法，测试电子元器件的功能和性能参数的退化衰减情况，从而预估其寿命及可靠性。加速应力测试主要使被测试的元器件工作在加速老化的环境中，如比正常工作条件更高的电压应力、温度应力和振动等应力条件下，加速其老化过程，并在经历一段时间的老化后进行功能性能的退化测试。开展老化加速应力寿命的测试方法需要花费大量的时间、资金和人力成本。同时，上述测试分析方法本身对被测分析元器件具有损伤性，测试后的器件不能再作为正常器件进行应用。其次，由于传统的测试花费大、对器件有损伤等特点决定了现有的传统方法只能是通过抽样测试来推算该批次样本的寿命及可靠性，不能覆盖全部测试评估对象，不能实现对每个样品的全部测试。同时，现有的传统寿命测试评估方法，仅是从器件的宏观性能的测试出发，对微观的损失和器件内在的早期缺陷并不敏感，因此对实际测试的样品的寿命评估的准确性和可信性也不高。

电子元器件常规电学参数包括电流、电压、功率等，主要表征的是元器件的功能和性能指标和能力。而电子元器件的电流、电压的涨落是一种特殊的信号，其涨落的来源于器件物理本质上的随机起伏，频谱分析是研究该涨落信号的主要方法。电子元器件中的涨落信号频谱变换图在低频段主要表现随频率增加而减小，这种以低频为主的涨落现象广泛地存在于各种组份和结构的半导体材料和器件中。相比常规电学性能参数，低频电流或电压的涨落对器件内部结构的变化更为敏感，而这些变化用现有的测试分析手段往往难以表征。随着低频信号涨落理论和实验研究的进一步深入，低频电流电压涨落的测量与分析已经成为半导体器件质量表征和寿命评估的一种新的手段。器件电流电压信号涨落的种类和大小可直接反映器件内部结构的质量和生产工艺、环境的好坏，是反映器件内部缺陷、由于各种应力引起的缺陷、器件工作可靠性和器件寿命的综合参数。大量的国内外研究和试验已经证明，对应力在电子器件中引起的缺陷的表征，电流电压的低频涨落信号测试方法要比传统的电参数检测更加敏感，甚至在一些电参数尚未明显变化时，低频涨落信号参数已经变化了几个数量级。更为重要的是这种测试方法对电子器件中潜在的缺陷的探测是用传统的电参数检测不到的，同时常规的老化试验一般均为破坏性、高成本、周期长和准确性不高，而这种对元器件寿命测试评估的方法具有无损、快速、低费用和高准确性等特点。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统的老化加速应力寿命的测试方法花费大量的时间、资金和人力成本。

(2)传统测试方法对被测分析元器件具有损伤性，测试后的器件不能再作为正常器件进行应用。

(3)现有的方法的寿命测试评估准确性和可信性不高。

解决上述问题的技术难度：要实现对电子元器件寿命的低费用、快速度、准确和无损伤的测试和评估，传统的技术体系采用的是老化的思想，无法从根本上克服传统技术方法存在的缺陷。要突破现有传统方法存在的弊端，必须采用新的技术体制，实现技术突破。目前通过长期的研究发现器件内部电流或电压微观的涨落信号即噪声与器件内部微观缺陷的存在具有相关性，因此对噪声信号的测试能够用于寿命的评估分析。要实现新的体制下的寿命测试评估，采用的噪声测试技术需要对被测器件进行合理的偏置激发出内在的噪声信号。同时，由于噪声信号非常微弱需要采用低噪声和屏蔽化技术减少外部信号对被测信号的干扰。最后，噪声信号的数据处理和信息提取和建模必须具有充分的验证试验。上述的几个方面都是实现有效的寿命测试评估的技术难点。

通过技术问题的解决就可以准确测试电子元器件的噪声，并提取噪声综合参数建立其与寿命和可靠性的模型。由于噪声测试时器件偏置在正常工作状态，对器件无任何损伤影响，因此该测试方法具有无损的特征。同时，噪声测试不需要加速老化的过程，对时间、人力和费用的消耗大大降低，因此对测试应用的推广具有极大的意义。噪声由于本身与器件的物理微观结构和机理具有密切相关项，而器件的微观物理结构和机理才是最终决定器件可靠性和寿命的内在因素，因此建立的模型对寿命和可靠性评估的准确性更高。基于这些因素该测试方法的实现能克服传统方法存在的主要弊端，实现对电子元器件寿命的低费用、快速度、准确和无损伤的测试和评估，可实现对测试对象的全覆盖，对提高电子设备整机和系统的寿命与可靠性具有重大意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统及方法和装置。

本发明是这样实现的，一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统，所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统包括：

主控模块，用于完成对系统的配置管理和人机界面控制；

输出模块，用于完成对所有测试数据的综合报告，自动生成报告文档或图片文档，输出模块打印相关报告和图片；

信号采集模块，用于完成对采样的频率控制、采样的点数控制和内置增益控制，并在控制参数下完成对噪声信号的模拟到数字信号的转换和数据获取；

噪声信号分析模块，用于进行时域、频谱和时频子波域进行分析；时域能完成噪声时间序列信号的有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值及噪声幅值分布密度，频域信号能完成频谱变换、点频值、宽带值的提取分析，子波分析完成时-频联合参数的分析；

电路或单元噪声分析模块，用于实现数据拟合和数据筛选；还包括参数的分析报告，噪声参数的分析和数据批量处理；多参量分析包括时域和频域参数的提取和综合分析，同时利用数据拟合算法完成对频谱数据的拟合，实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，进行线性非线性拟合优化出噪声表征参数值。

进一步，所述电路或单元噪声分析模块提取的频域噪声成分，包括1/f噪声指数、1/f噪声幅值、转折频率，白噪声的幅值，通过噪声参数提取的噪声综合特征参数建立与器件内在物理特性相关的数值处理分析模型，实现器件的寿命和可靠性的评估分析。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统的电子元器件噪声测试及寿命评估的方法流程，所述电子元器件噪声测试及寿命评估的方法包括以下步骤：

第一步，对电子元器件的噪声进行测试，将测试得到噪声信号进行模数转换，并在计算机内部对噪声信号进行频谱变换，提取时域、频域和小波域内的噪声特征参数，包含但不限于：有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、噪声幅值分布密度、频谱信号点频值、宽带值、1/f噪声指数、1/f噪声幅值、转折频率，白噪声的幅值等；

第二步，对提取的综合噪声参数进行重要性和特征分析，并利用提取的综合噪声特征参数建立器件的寿命与可靠性评估模型，利用已知寿命器件的噪声测试、寿命和可靠性记录等数据对模型进行测试。通过测试验证修改和调整模型参数，最后得到验证后的噪声综合特征参数与寿命评估的模型表达式；

第三步，对需要评估的电子元器件开展准确的噪声测试，并提取相关噪声综合特征参数，将得到的噪声综合特征参数代入已验证的寿命评估模型中进行计算分析，最终得到被测器件的寿命或可靠性评估结果。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述电子元器件噪声测试及寿命评估系统的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，所述电子元器件噪声测试及寿命评估的装置包括：偏置电源、数据采集卡、适配器、低噪声放大器、计算机系统、屏蔽箱；

偏置电源包含恒压源或恒流源，为适配器提供恒定的电压或电流，通过电缆与适配器的电源输入端串行连接，白噪声源作为选配噪声信号源用于对测试链路系统进行标校。适配器中放置被测元器件，并提供对应的测试接口夹具，适配器使器件偏置在正常的工作状态，激发器件本身噪声的产生。同时，适配器可以通过旋钮等装置调节器件工作的电流、电压和匹配的源电阻等，被测器件的输出噪声信号通过适配器的输出端接口电缆引出，连接到低噪声放大器的输入端。低噪声放大器的输入信号为与之相连的适配器输出信号，放大器通过交流或直流耦合将噪声信号进行放大，放大器可以控制噪声信号放大的增益以及信号的带宽等参数，低噪声放大器放大后的噪声输出信号连接到数据采集卡。数据采集卡输入信号为低噪声放大器的输出，数据采集卡对模拟信号进行模拟到数字信号的转换，采集卡能够控制采集转换的速率和采样点数等参数，并对转换后的数字信号进行存储。数据采集卡通过计算机接口总线将数据传入计算机，在计算机内部通过软件可完成数据的存储、处理和分析，同时，计算机可以通过采集卡控制低噪声放大器的增益。偏置电源、数据采集卡、适配器、低噪声放大器固定在屏蔽箱内部，以减低或消除外部信号对微弱噪声信号的干扰，提高系统测试的准确性和可靠性。

进一步，所述偏置电源采用多组低噪声电池进行串并组合网络设计，输出电源通过波段式开关调节，输出±1.2V到±48V范围内的多种电压；采用桥式偏置电源结构设计降低放大器噪声测试时的耐受偏压。

进一步，所述适配器使用桥式隔离电阻，并配合偏置端形成平衡桥式电路结构。所述的器件噪声测试电路包括：偏置端、适配端、放大端。

进一步，所述低噪声放大器包括：低噪声电流放大器、锁相放大器；

低噪声电流放大器，采用电流扩频设计，利用锁相放大器产生标准正弦电流信号，并进行频率扫描，低噪声电流放大器输出放大后的正弦电流信号，并将得到的扫频放大电流信号输入锁相放大器；

锁相放大器，测试计算得到放大器电流放大频率响应特性的归一化曲线，由此曲线得到该电流放大器的频带展宽算法，通过频带展宽算法扩展电流放大器在高增益下的带宽。

进一步，所述低噪声电压放大器使用两级放大，其中第一级采用多放大器并联，第二级采用串联，构成并联和串联的组合式结构在减低电压放大系统背景噪声的同时能够保证电压放大器的带宽。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统的半导体电子元器件噪声测试系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提出了对电子元器件微弱的电流或电压涨落信号进行激励的偏置方式优化设计方法，提出为降低测试系统背景噪声对微弱的涨落信号的影响而设计的新型低噪声放大器设计方法，该发明也提出了一种测试评估系统的设计、基于电流/电压涨落信号分析和涨落信号与寿命模型的测试分析流程。通过该发明提出的方法，可对各种电子元器件和模块进行端口电流或电压涨落信号的测试与分析，对测试的数据进行提取分析，根据建立的测试参数和器件寿命的模型计算和评估得到元器件的寿命信息，从而实现通过电流或电压涨落信号的测试达到对元器件的寿命评估分析，该系统可应用于电子元器件内部潜在缺陷诊断和无损预筛选,以及电子元器件的寿命评估分析。系统的实现采用基于虚拟仪器的编程技术进行控制和分析软件的设计，保证系统工作环境稳定可靠，操作界面简捷，测试结果图形化显示，可进行双通道的高速程控采集。该系统由偏置电源、数据采集卡、适配器、低噪声放大器、计算机系统、屏蔽箱等部分组成，可根据对元器件各端口的电流电压涨落信号的测试与分析结果，对被测器件内部潜在缺陷进行诊断和无损筛选，进一步地预估电子元器件的寿命。能够实现对电子元器件快速、准确、无损和低费用的测试，相关数据对比如下。

表1 测试方法对比

项目	传统加速老化测试	本发明测试
			测试时间	大多数在10小时-500小时左右	1分钟-10分钟左右
测试费用	约50元/小时-200元/小时	约50元/次/参数
			测试损伤性	有损伤，测试后器件不能再使用	无损伤，测试后器件可使用
测试准确性	抽样测试，准确性低	全覆盖测试，准确性高

本发明利用电子元器件正常静态工作状态下的电流或电压涨落信号作为灵敏参数进行寿命测试评估的方法，包含元器件微弱电流或电压涨落信号的激励偏置设计，低噪声放大器设计、测试评估系统组成设计、基于电流/电压涨落信号分析和涨落信号与寿命模型的建立流程。利用该测试评估可通过对各种电子器件和集成电路模块进行各信号端口电流/电压涨落信号的测试，分析和评估得到电子元器件的寿命。该测试方法能反映电子元器件内部潜在缺陷诊断，对寿命测试评估具有无损测试特点，同时具有实时检测、高精度、高可靠性、智能化、小体积的优点，良好的通用性和可升级性使其同时适用于类科研和生产单位进行电子元器件的寿命无损评估及寿命筛选等方面，该方法的测试灵敏度较传统方法更高，如下表为对某太阳能面板的老化测试数据对比表明该发明方法更具灵敏性，噪声参数的变化达到1-3个数量级。

表1 传统测试参数的变化

表2 本发明测试参数的变化

本发明采用桥式偏置电压结构设计以及配合适配器端的设计，形成平衡桥式偏置测试电路，有效地降低放大器噪声测试时的耐受偏压，避免了传统的测试偏置需要对被测器件施加较大偏压时受到放大器输入最大电压的限制而不能进行测试的问题。有效的提高了噪声测试的应用范围，使得低频噪声测试方法对高压器件等特殊器件也具备了测试能力。如采用传统偏置，被测某晶体管器件正常工作电压30V，放大器输入端的输入直流电压对比如下表：

表3 放大器测试输入直流电压对比

	传统偏置	本发明偏置
			放大器输入直流电压	30V	约0V

本发明提出了电流噪声扩频放大的技术原理，通过频带展宽算法克服了低噪声电流放大器在大增益下只能具有较小带宽的局限性，能够扩展现有电流放大器的带宽，使其适合于器件噪声电流的放大测试。

本发明提出了并联低噪声化电压放大技术降低了传统放大器设计的噪声，使得测试系统的本底噪声进一步减小，提高测试系统的测试精度。

本发明提出的噪声系统分析系统可以测量电子器件的各种噪声参数，同时对噪声进行时域、频谱、子波域的分析和特征参数提取。具有实时检测、实时采集和实时分析,高精度、高可靠性、智能化、小体积的优点，良好的通用性和可升级性使其同时适用于科研和生产单位。

本发明在电子元件噪声测试的基础上，基于噪声的寿命评估分析研究、电子元件噪声的噪声综合参数分析研究，创新性提出了基于噪声的综合参数对器件寿命进行表征的测试分析流程，提出了寿命和可靠性评估模型的建立方法，并设计开发了一套可以对电子元件以及集成电路模块进行噪声测试分析、噪声参数提取及电子元件寿命分析评估的系统，该系统可广泛应用于电子元器件的噪声测试和寿命及可靠性评估分析。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电子元器件噪声测试及寿命评估的系统的结构示意图；

图中：1、主控模块；2、输出模块；3、信号采集模块；4、噪声信号分析模块；5、电路或单元噪声分析模块。

图2是本发明实施例提供的电子元器件噪声测试及寿命评估的方法流程图。

图3是本发明实施例提供的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置的结构示意图；

图中：6、偏置电源；7、数据采集卡；8、适配器；9、低噪声放大器；10、计算机系统；11、屏蔽箱。

图4是本发明实施例提供的传统直流偏置噪声测试图。

图5是本发明实施例提供的改进后的平衡桥噪声测试图；

图中：正负偏置电源串行连接，同时，正负电源与隔离电阻Ri和被测器件DUT相串行连接。正负偏置电源连接点抽取接地点，接地点与放大器负输入端相连，隔离电阻和被测器件的连接点与放大器的正输入端相连。CD两端为被测器件施加的电压，AB端为放大器输入电压。

图6是本发明实施例提供的电流噪声扩频放大系统示意图；

图中：锁相放大器的输入接入低噪声电流放大器的输入，同时低噪声电流放大器的输出接回到锁相放大器的输入，构成闭环测试。锁相放大器进行扫频并闭环测试得到幅频特征曲线进行计算处理得到归一化曲线。低噪声电流放大器测试的被测信号经过放大后，接入频带展宽算法计算得到扩频放大的电流信号。

图7是本发明实施例提供的并联低噪化电压放大系统原理图；

图中：第一级由多个(n个)放大器进行并联，同时其所有的一端输入共同连接在一起，并接入被测信号，其所有的另一端分别连接反馈电阻。所有并联放大器的输出端分别通过电阻连接在一起，并串联到后一级放大器，后一级放大器一端接地，另一端同时通过反馈电阻与输出端连接。

图8是本发明实施例提供的噪声的综合参数对器件寿命进行表征的测试分析流程图。

图9是本发明实施例提供的声测试典型图谱示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统及方法和装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的电子元器件噪声测试及寿命评估的系统包括：主控模块1、输出模块2、信号采集模块3、噪声信号分析模块4、电路或单元噪声分析模块5。

主控模块1，用于完成对系统的配置管理和人机界面控制。

输出模块2，用于完成对所有测试数据的综合报告，并自动生成报告文档或图片文档，输出模块2可以打印相关报告和图片。

信号采集模块3，用于完成对采样的频率控制、采样的点数控制和内置增益控制，并在控制参数下完成对噪声信号的模拟到数字信号的转换和数据获取；测试系统虚拟仪器技术实现采集过程的全软件控制，测试结果图形化显示，可进行双通道的高速程控采集。

噪声信号分析模块4，用于进行时域、频谱和时频子波域进行分析；时域能完成噪声时间序列信号的有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值及噪声幅值分布密度，频域信号能完成频谱变换、点频值、宽带值的提取分析，子波分析完成时-频联合参数的分析。

电路或单元噪声分析模块5，用于实现数据拟合和数据筛选，还包括参数的分析报告，噪声参数的分析和数据批量处理。多参量分析包括时域和频域参数的提取和综合分析，同时利用数据拟合算法完成对频谱数据的拟合，从实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，进行线性非线性拟合优化出噪声表征参数值，结合数字滤波法能进一步提高参与运算的点的数目和数据分析精度。能够提取的频域噪声成分，包括1/f噪声指数、1/f噪声幅值、转折频率，白噪声的幅值等，通过噪声参数的这些提取参数特征建立与器件内在物理特性相关数字处理分析模型，实现器件的寿命和可靠性的评估分析。

如图2所示，本发明实施例提供的电子元器件噪声测试及寿命评估的方法包括以下步骤：

S201：对噪声信号进行频谱变换，提取时域、频域和小波域内的噪声特征参数；

S202：利用提取的综合噪声参数建立寿命与可靠性评估模型，验证模型后可通过对器件的噪声测试；

S203：提取相关综合参数代入模型计算分析其器件的寿命或可靠性等。

如图3所示，本发明实施例提供的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置包括：偏置电源6、数据采集卡7、适配器8、低噪声放大器9、计算机系统10、屏蔽箱11。

偏置电源6与适配器8连接，适配器8与低噪声放大器9连接，低噪声放大器9与数据采集卡7连接，计算机系统10与数据采集卡7和低噪声放大器9连接。偏置电源6、数据采集卡7、适配器8、低噪声放大器9固定在屏蔽箱11内部。

噪声测试的偏置电源6为自主开发的应用于噪声测试的偏置电源，其具有通用特性，采用多组低噪声电池进行串并组合网络设计，提高偏置电源6的驱动能力，同时根据阻抗匹配和噪声随机等相关性原理降低电源自身噪声，优选低噪声偏置源6和噪声相关对消等方案进一步抑制偏置噪声，改进噪声测试偏置电路，使直流偏置的背景噪声低至0.75nV/√Hz@1Hz，以满足噪声测试需要。输出电源通过波段式开关调节，可输出±1.2V到±48V范围内的多种电压，配合适配器可为不同器件提供测试电源条件。采用桥式偏置电压结构设计降低放大器噪声测试时的耐受偏压，相比传统的噪声测试偏置，偏置电源部分采用正负偏压，保证被测器件(DUT)施加与传统测试时所加偏压一致时，能够有效保证放大器端输入电压差限定在一定的范围内。

噪声测试的适配器8为针对具体测试器件设计的测试夹具和测试条件调节装置，其特征在于使用桥式隔离电阻，并配合偏置端形成平衡桥式电路结构，相对于传统串联式测试结构能够施加更大的测试电压而不会导致放大器输入端电压过高，提高适配电路噪声测试的广泛适用性。基于桥式隔离电阻构建的平衡桥应用测试电路可适用于运算放大器、DC/DC电源、LDO电源、光电耦合器、电阻器、MOSFET和JFET、二极管、基准电压源以及红外探测器等器件的噪声测试适配。

噪声测试的低噪声放大器9具有多种系列，有固定增益式、可调增益式、单级放大和多级放大。在前置放大器的设计中，与传统的技术不同的是本系统将通过并联低噪声化电压放大技术、电流噪声扩频测试技术等技术方法来降低放大系统自身噪声，提高指标参数，使整机测试系统具备噪声电压测试达nV/√Hz级，噪声电流检测精度达pA/√Hz级。电流噪声扩频放大技术其特征在于电流放大器采用电流扩频设计，其主要原理是利用锁相放大器产生标准正弦电流信号，并进行频率扫描，低噪声电流放大器输出放大后的正弦电流信号，并将得到的扫频放大电流信号输入锁相放大器，由锁相放大器进行测试计算得到放大器电流放大频率响应特性的归一化曲线，由此曲线得到该电流放大器的频带展宽算法。由此，对输入的电流噪声信号进行放大后，放大输出的电流噪声信号再经过频带展宽算法后就得到扩频电流噪声信号。该方法能够解决电流放大器高增益时带宽窄的问题，提高噪声测试分析的准确性。并联低噪声化电压放大技术其特征在于使用两级放大，其中第一级采用多放大器并联，第二级采用串联，构成并联和串联结构在减低电压放大系统背景噪声的同时能够保证电压放大器的带宽，基于这种低噪声化设计能够实现0.7nV/√Hz的极低背景噪声水平的放大器。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提出了一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统。图1为电子器件噪声测试分析系统软件构成图，图3为电子器件噪声测试系统硬件基本组成图。图1具体展示了软件结构每一个组成部分：主控模块、信号采集模块、噪声信号分析模块、电路或单元噪声分析模块以及输出模块。图3中具体展示了硬件结构中的每一个部分组成：噪声测试偏置电源、噪声测试前置放大器、噪声测试适配器、数据采集卡和计算机系统等模块。

图4所示的是传统技术中的简单直流偏置系统，直流偏置测量技术是噪声测试的简单有效方法，其主要方法是将器件置于恒定稳态条件下，施加直流工作电压，并直接对输出端口信号进行放大和测试,采用传统的偏置电路得到的噪声测试中，放大器端的耐受电压为V_AB，当测试的器件正常工作电压很高时，为了测试其噪声也需要加与正常工作电压一致的偏压，这将导致放大器不能承受如此大的电压而受到损坏。由此可见，传统的直流偏置噪声测试电路不能对大电压的器件进行噪声测试。图5所示的是本发明中改进后的改进后的平衡桥噪声测试图，该改进电路使用了正负偏置电源，同时在适配器电路部分采用了隔离电阻的类桥式结构，从而形成了平衡桥效应。在这种效应下，即使被测器件施加很大的电压，通过隔离电阻的调整都可以使放大器端的电压调整在一定范围内，保证了放大器的正常工作，因此该改进电路可以测试大电压器件。同时，偏置器为自主开发的应用于噪声测试的偏置电源，优先低噪声偏置源和噪声相关对消等方案进一步抑制偏置噪声，改进噪声测试偏置电路，使直流偏置的背景噪声低至0.5nV/√Hz@1Hz，满足了大多数的噪声测试需要。

在前置放大器的设计中，与传统的技术不同的是本系统将通过并联低噪声化电压放大技术以及电流噪声扩频放大技术等来进一步降低放大系统自身噪声，提高放大系统带宽，使整机测试系统具备噪声电压测试达nV/√Hz级，噪声电流检测精度达pA/√Hz级。图6所示的是本发明中的前置放大器的电流噪声扩频放大系统技术。利用锁相放大器产生标准正弦电流信号，并进行频率扫描，低噪声电流放大器输出放大后的正弦电流信号，并将得到的扫频放大电流信号输入锁相放大器，由锁相放大器进行测试计算得到放大器电流放大频率响应特性的归一化曲线，由此曲线得到该电流放大器的频带展宽算法。由此，对输入的电流噪声信号进行放大后，放大输出的电流噪声信号再经过频带展宽算法后就得到扩频电流噪声信号。该方法能够解决电流放大器高增益时带宽窄的问题，提高噪声测试分析的准确性，提高了电流放大器的带宽。

图7所示为并联低噪化电压放大系统原理图，可在不改变放大器自身噪声的基础上，利用噪声的非相关性原理采用多放大器并联实现对放大器自身噪声的进一步降低。同时采用并串结合方式，其中第一级采用多放大器并联，第二级采用串联，构成并联和串联结构在减低电压放大系统背景噪声的同时能够保证电压放大器的带宽，基于这种低噪声化设计能够实现0.7nV/√Hz的极低背景噪声水平的放大器。通过低噪声化电压放大器的设计进一步降低放大器噪声对测量带来的影响，提高噪声测试准确性。

图8噪声的综合参数对器件寿命进行表征的测试分析流程。本发明提出了基于噪声的综合参数对器件寿命进行表征的测试流程。首先对器件噪声测试条件进行设置，并设置合适的电流或电压放大倍数；其次通过噪声测试采集软件系统对输出的噪声信号进行采集，并进行傅里叶变化得到实时噪声频谱图；对噪声时间序列、噪声谱图进行观察分析，如果测试数据结果正常则进入下一步分析，否则对测试条件和放大等进行调整；对得到的正常噪声功率谱数据进行去噪处理，并进行噪声谱图的拟合计算；完成拟合计算后将得到拟合曲线，在拟合曲线基础上进行参数的提取，时域可提取的参数包括有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值及噪声幅值分布密度，频域提取的参数包括噪声功率谱、宽带噪声电压、输出噪声电压、等效输入噪声电压、电流功率谱、等效输入噪声电流、1/f噪声幅度和频率因子、白噪声幅度、g-r噪声幅度和转折频率等，以及小波域相关时频联合参数；基于提取的参数建立参数与器件寿命或可靠性评估的计算分析模型；利用历史的或开展的老化验证等数据对模型的评估效果进行验证，模型正确则可应用于下一阶段的实际评估分析中，否则模型存在误差或错误则需要对模型参数进行调整后再迭代入模型中；最后得到的验证模型就可应用于同类器件的基于噪声综合参数的寿命评估分析应用之中。

噪声的综合参数对器件寿命进行表征的测试分析具体包括：首先，对被测器件的噪声测试条件进行设置，即设定合适工作的电流、电压和源电阻，保证器件的正常工作和噪声的激发，同时接入电流或电压放大器，对噪声信号进行适当放大；第二，噪声信号采集及频谱变换，利用数据采集卡进行模拟到数字信号的转换采集，并进行频谱的变换；第三，判读频谱、时间等采集数据是否正常，不正常时需跳转到第一步从新设置相关测试条件，正常时进行下一步操作；第四，对得到的噪声频谱信号数据进行去噪，主要通过数据处理方法消除和降低市电50Hz频率以及倍频对噪声频谱数据的影响，在去噪的基础上进行数据的拟合，得到拟合的噪声数据谱图；第五，对采集的噪声时间数据、拟合的频谱数据等进行综合参数的提取，包含但不限于：：有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、噪声幅值分布密度、频谱信号点频值、宽带值、1/f噪声指数、1/f噪声幅值、转折频率，白噪声的幅值等；第六，利用提取的噪声综合参数建立和寿命与可靠性为输出目标函数的模型表达式，该模型的输入即噪声的综合参数，输出为器件的寿命或可靠性指标参数；第七，利用已知的、历史的数据对模型进行验证测试，当测试误差较大时调整模型参数，使其输出目标函数达到一定的误差范围内，则建立好相关评估模型；最后，对应用中需要评估的器件测试噪声并提取噪声综合参数，并带入验证的模型中计算得到寿命或可靠性指标，完成基于噪声综合参数的可靠性寿命评估应用。

表4 直流电压测量校准结果

标称值	合格下限	显示值	标准值	合格上限	允许误差±	结论	U
								2.8V	2.52	2.65	2.59	2.78	0.13	合格	0.01
-2.8V	-2.80	-2.67	-2.59	-2.54	0.13	合格	0.01
								5.6V	5.03	5.29	5.18	5.55	0.26	合格	0.01
-5.6V	-5.55	-5.29	-5.20	-5.03	0.26	合格	0.01
								8V	7.54	7.93	7.78	8.32	0.39	合格	0.01
-8V	8.33	-7.94	-7.81	-7.55	0.39	合格	0.01
								11.2V	10.06	10.58	10.38	11.10	0.52	合格	0.01
-11.2V	-11.11	-10.59	-10.41	-10.07	0.52	合格	0.01
								14.0V	12.63	13.28	12.99	13.93	0.65	合格	0.01
-14.0V	-13.90	-13.25	-13.01	-12.60	0.65	合格	0.01
								16.3V	15.12	15.90	15.60	16.68	0.78	合格	0.01
-16.8V	-16.67	-15..89	-15.61	-15.11	0.78	合格	0.01
								19.6V	17.63	18.54	18.21	19.45	0.91	合格	0.01
-19.6V	-19.44	-18.53	-18.22	-17.62	0.91	合格	0.01
								22.4V	20.2	21.2	20.8	22.2	1.0	合格	0.1
-22.4V	-22.2	-21.2	-20.8	-20.2	1.0	合格	0.1
								25.2V	22.6	23.8	23.4	25.0	1.2	合格	0.1
-25.2V	-25.0	-23.9	-23.4	-22.7	1.2	合格	0.1
								23.0V	25.2	26.5	26.0	27.8	1.3	合格	0.1
-28.0V	-27.8	-26.5	-26.0	-25.2	1.3	合格	0.1

注：连线方式使用表笔的尖头连接仪器后面版V+、V-连线5508A的ACV功能、前面板偏置开关：on，标称值为偏置电压档位，电压测试偏置为正、负偏置时可选择+、-信号。

表5 交流电压测量校准结果

表6 倍率测量校准结果

注：连线方式为5520的ACV输出端连接被测仪器后面版的IN，被测仪器后面板的OUT连接550RA的ACV端子(Tfer＝ON，低频段DCcp＝ON)。仪器前面板放大开关＝ON，输入控制先至GND，等将5520按照标称值输出对应的交流信号后至AC档位，比较被测仪器通过电脑程序读取的显示值与5505A测得的标准值，从而判断其是否合格。

表7 频率测量校准结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电子元器件噪声测试及寿命评估的系统，其特征在于，所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统包括：

主控模块，用于完成对系统的配置管理和人机界面控制；

输出模块，用于完成对所有测试数据的综合报告，自动生成报告文档或图片文档，输出模块打印相关报告和图片；

信号采集模块，用于完成对采样的频率控制、采样的点数控制和内置增益控制，并在控制参数下完成对噪声信号的模拟到数字信号的转换和数据获取；

噪声信号分析模块，用于进行时域、频谱和时频子波域进行分析；时域能完成噪声时间序列信号的有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值及噪声幅值分布密度，频域信号能完成频谱变换、点频值、宽带值的提取分析，子波分析完成时-频联合参数的分析；

电路或单元噪声分析模块，用于实现数据拟合和数据筛选；还包括参数的分析报告，噪声参数的分析和数据批量处理；多参量分析包括时域和频域参数的提取和综合分析，同时利用数据拟合算法完成对频谱数据的拟合，实测噪声频谱中分离出各种噪声分量，进行线性非线性拟合优化出噪声表征参数值。

2.如权利要求1所述的电子元器件噪声测试及寿命评估的系统，其特征在于，所述电路或单元噪声分析模块提取的频域噪声成分，包括1/f噪声指数、噪声幅值、转折频率，白噪声的幅值，通过噪声参数的提取参数特征建立与器件内在物理特性相关数字处理分析模型，实现器件的寿命和可靠性的评估分析。

3.一种运行权利要求1所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统的电子元器件噪声测试及寿命评估的方法，其特征在于，所述电子元器件噪声测试及寿命评估的方法包括以下步骤：

第一步，对电子元器件的噪声进行测试，将测试得到噪声信号进行模数转换，并在计算机内部对噪声信号进行频谱变换，提取时域、频域和小波域内的噪声特征参数，包含但不限于：有效值、峰峰值、平均值、最大值、最小值、噪声幅值分布密度、频谱信号点频值、宽带值、1/f噪声指数、1/f噪声幅值、转折频率，白噪声的幅值等；

第二步，对提取的综合噪声参数进行重要性和特征分析，并利用提取的综合噪声特征参数建立器件的寿命与可靠性评估模型，利用已知寿命器件的噪声测试、寿命和可靠性记录等数据对模型进行测试。通过测试验证修改和调整模型参数，最后得到验证后的噪声综合特征参数与寿命评估的模型表达式；

第三步，对需要评估的电子元器件开展准确的噪声测试，并提取相关噪声综合特征参数，将得到的噪声综合特征参数代入已验证的寿命评估模型中进行计算分析，最终得到被测器件的寿命或可靠性评估结果。

4.一种搭载权利要求1所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，其特征在于，所述电子元器件噪声测试及寿命评估的装置包括：偏置电源、数据采集卡、适配器、低噪声放大器、计算机系统、屏蔽箱；

偏置电源与适配器连接，适配器与低噪声放大器连接，低噪声放大器与数据采集卡连接，计算机系统与数据采集卡和低噪声放大器连接；偏置电源、数据采集卡、适配器、低噪声放大器固定在屏蔽箱内部。

5.如权利要求4所述的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，其特征在于，所述偏置电源采用多组低噪声电池进行串并组合网络设计，输出电源通过波段式开关调节，输出±1.2V到±48V范围内的多种电压；采用桥式偏置电压结构设计降低放大器噪声测试时的耐受偏压。

6.如权利要求4所述的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，其特征在于，所述偏置电源包括：偏置端、适配端、放大端。

7.如权利要求4所述的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，其特征在于，所述适配器使用桥式隔离电阻，并配合偏置端形成平衡桥式电路结构。

8.如权利要求4所述的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，其特征在于，所述低噪声放大器包括：低噪声电流放大器、锁相放大器；

低噪声电流放大器，采用电流扩频设计，利用锁相放大器产生标准正弦电流信号，并进行频率扫描，低噪声电流放大器输出放大后的正弦电流信号，并将得到的扫频放大电流信号输入锁相放大器；

锁相放大器，测试计算得到放大器电流放大频率响应特性的归一化曲线，由此曲线得到该电流放大器的频带展宽算法。

9.如权利要求8所述的电子元器件噪声测试及寿命评估的装置，其特征在于，所述低噪声电流放大器使用两级放大，其中第一级采用多放大器并联，第二级采用串联，构成并联和串联结构在减低电压放大系统背景噪声的同时能够保证电压放大器的带宽。

10.一种应用权利要求1～2任意一项所述电子元器件噪声测试及寿命评估的系统的半导体电子元器件测试系统。