CN113189412B - 一种多通道相关的低频噪声测试装置及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道相关的低频噪声测试装置及分析方法，所述测试装置包括：待测器件模块，用于为待测器件提供外部的偏置电压，引入待测器件需要关注的噪声信号并输出；第一路噪声测试通路，用于将所述待测器件模块输出的第一路小信号噪声放大和数字化采样以得到第一路数字噪声信号；第二路噪声测试通路，用于将所述待测器件模块输出的第二路小信号噪声放大和数字化采样以得到第二路数字噪声信号；频谱分析模块，用于根据采样后的两路数据，对每个通路分别计算各通道的噪声谱情况，然后再进行两个通路之间的相关性分析或进行噪声消除。

Description

一种多通道相关的低频噪声测试装置及分析方法

技术领域

本发明涉及低频噪声测试技术领域，特别是涉及一种多通道相关的低频噪声测试装置及分析方法。

背景技术

随着电子设备精密程度不断提升，对器件的稳定性提出了更高的要求。器件内部噪声成为了制约高精密设备的关键因素。器件内部载流子的涨落形成了器件的主要噪声。为此，开展器件噪声测试分析成为了衡量器件好坏的关键手段之一，同时，器件的低频噪声特性与器件的可靠性之间具有紧密的联系，低频噪声已经成为了表征器件质量和可靠性的重要参数，开展器件低频噪声的测试和分析具有重要的意义。

低频噪声测试设备目前主要采用通用仪器构建，通过低噪声放大模块实现对关键信号的处理与识别。在低频噪声采集过程中影响低频噪声测量准确性的因素有两个：1、测量过程受低频噪声电压的随机性影响，导致测试结果有偏差；2、测试设备的噪声掩盖了低频噪声电压，无法识别噪声信号。在实际设备中，测量时间无法无限增长，设备噪底无法设计地非常低，因此，迫切需要提出新的有效手段解决该问题。

为了提升低频噪声的测量精度，传统通用仪器搭建的测试系统已经被逐渐完善，各类专用测试系统被构建出来，同时，提出了互谱法等多种手段降低测试过程中的噪声影响，但是这些手段均以单通道为监测目标，无法测量通道间低频噪声的情况。

典型结构的低频噪声测试系统如图1所示，其中包括器件适配器(与被测器件一体)、偏置器、低噪声放大器、数据采集卡和微型计算机五部分，器件适配器和偏置器主要是根据待测器件噪声测试的具体要求，提供偏置电压、偏置电流、源电阻，使之处于相应的测试状态。待测的噪声信号经过前置放大器和数据采集卡被送至微机进行数据的分析处理、存储和打印输出。

然而，这种传统的测试结构以单一模式，需要解决测量时间和设备如低噪声放大器噪底两个问题，这种低频噪声测试系统仅适用于测试目标噪声较大的器件。

现有技术也提出了采用相关方法来改进低频噪声测试系统结构，如图2所示，该改进的低频噪声测试系统采用了两个前置放大器模块(前放A和前放B)，通过在互谱模块对两个模块的采样结果进行互相关消除，能够消除测量过程中前置放大器引入的差模噪声，从而降低了对测试前置放大器的噪声要求。

这种低频噪声测试结构采用两个前置放大器结构，消除了通路间的差模噪声，但是，该系统只能测量单一通道，并未能考虑到多通道间的相关性。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种多通道相关的低频噪声测试装置及分析方法，以通过对两个通道分别进行噪声的测量，能够更好的分析噪声的产生阶段，有助于更好的提取频谱特性，同时通过利用频谱转移特性，实现对通道间共模噪声的消除，解决对传统测量过程中无法消除共模噪声的难题。

为达上述及其它目的，本发明提出一种多通道相关的低频噪声测试装置，包括：

待测器件模块，用于为待测器件提供外部的偏置电压，引入待测器件需要关注的噪声信号并输出；

第一路噪声测试通路，用于将所述待测器件模块输出的第一路小信号噪声放大和数字化采样以得到第一路数字噪声信号；

第二路噪声测试通路，用于将所述待测器件模块输出的第二路小信号噪声放大和数字化采样以得到第二路数字噪声信号；

频谱分析模块，用于根据采样后的两路数据，对每个通路分别计算各通道的噪声谱情况，然后再进行两个通路之间的相关性分析或进行噪声消除。

优选地，所述第一路噪声测试通路与第二路噪声测试通路分别包括：

低噪声放大器模块，用于将所述待测器件模块输出的第一或第二路小信号噪声放大；

可调增益放大模块，用于依据待测器件输出的信号幅度大小选择合适的信号增益将所述噪声放大器模块放大后的噪声信号进行再次放大输出模拟噪声信号；

低频采样模块，用于对所述可调增益放大模块输出的模拟噪声信号进行采样，将模拟噪声信号转化为第一或第二路数字噪声信号。

优选地，所述频谱分析模块包括：

噪声谱计算模块，用于对每个通路分别计算各通道的噪声谱情况；

相关性分析模块，用于计算两个通路之间的噪声转移谱曲线，以分析两个通路之间的相关性关系。

优选地，所述噪声谱计算模块具体用于：

分别计算两个通路路输出信号的频谱；

根据两个通路信号的频谱以及理想频谱转移特性计算待测器件集电极的噪声谱。

为达到上述目的，本发明还提供一种多通道相关的低频噪声分析方法，包括如下步骤：

步骤S1，对每个通路分别计算各通道的噪声谱情况；

步骤S2，利用两个通路信号的频谱计算两个通路之间的噪声转移谱曲线，以便分析两个通路之间的相关性关系。

优选地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，分别计算两路输出信号的频谱；

步骤S101，根据两个通路信号的频谱以及理想频谱转移特性计算所述待测器件集电极的噪声谱。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过对两个通道分别进行了噪声的测量，能够更好的分析噪声的产生阶段，有助于更好的提取频谱特性；

(2)本发明通过利用频谱转移特性，实现了对通道间共模噪声的消除，解决对传统测量过程中无法消除共模噪声的难题。

附图说明

图1为现有技术一种低频噪声测试装置的系统架构图；

图2为现有技术中改进的低频噪声测试装置的系统架构图；

图3为本发明一种多通道相关的低频噪声测试装置的系统架构图；

图4为本发明一种多通道相关的低频噪声分析方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为本发明一种多通道相关的低频噪声测试装置的系统架构图。如图1所示，本发明一种多通道相关的低频噪声测试装置，包括：待测器件模块10、第一路噪声测试通路20、第二路噪声测试通路30以及频谱分析模块40。

待测器件模块10，用于为待测器件提供外部的偏置电压，引入待测器件需要关注的噪声信号并输出，用于后续的信号处理。在本发明具体实施例中，所述待测器件为NPN管，其集电极连接第一路噪声测试通路20，基极连接第二路噪声测试通路30，发射极接地。

第一路噪声测试通路20，由第一低噪声放大器模块201(低噪声放大器A)、第一可调增益放大模块202(可调增益放大A)、第一低频采样模块203(低频采样A)组成，用于将待测器件的小信号噪声放大和数字化采样以得到第一路数字噪声信号。具体地，第一低噪声放大器模块201，用于将待测器件模块10输出的第一路小信号噪声放大，采用低噪声放大器实现，以便于进行信号处理，第一可调增益放大模块202，用于依据待测器件输出的信号幅度大小选择合适的信号增益将放大后的噪声信号进行再次放大输出模拟噪声信号，第一低频采样模块203，用于对第一可调增益放大模块202输出的模拟噪声信号进行采样，将模拟噪声信号转化为第一路数字噪声信号，以便于后续进行频谱分析。

第二路噪声测试通路30，由第二低噪声放大器模块301(低噪声放大器B)、第二可调增益放大模块302(可调增益放大B)、第二低频采样模块303(低频采样B)组成，用于完成待测器件的小信号噪声放大和数字化采样以得到第二路数字噪声信号，具体地，第二低噪声放大器模块301，用于将待测器件模块10输出的第二路小信号噪声放大，采用低噪声放大器实现，便于进行信号处理，第二可调增益放大模块302，用于依据待测器件输出的信号幅度大小选择合适的信号增益将放大后的噪声信号进行再次放大输出模拟噪声信号，第二低频采样模块303，用于对第二可调增益放大模块302输出的模拟噪声信号进行采样，将模拟噪声信号转化为第二路数字噪声信号，便于后续进行频谱分析。

频谱分析模块40，用于根据采样后的数据，计算输入噪声信号的频率谱密度，从而得到被测器件的低频噪声中关注的频率谱，并比较两个通道频谱特性。

本发明的工作过程如下：

将待测样品处于设定的工作条件下，并将低频噪声信号引出，两路噪声信号经过低噪声放大器进行放大，并依据信号幅度大小选择合适的信号增益通过可调增益放大器进行进一步放大，放大后的信号进行低频采样，得到数字信号，于频谱分析模块40对采样后的两路数字信号进行计算，从而得到最后的频谱信号。

图4为本发明一种多通道相关的低频噪声分析方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种多通道相关的低频噪声分析方法，包括如下步骤：

步骤S1，对每个通路分别计算各通道的噪声谱情况。

具体地，步骤S1进一步包括：

步骤S100，分别计算两路输出信号的频谱。

假定被测信号为s(t)(所述被测信号是指被测器件两端产生的信号，包括其产生的噪声，该信号由被测器件产生)，两个前置放大器(低噪声放大器A和B)的等效输入噪声电压为n_a(t)与n_b(t)，则输出的电压信号x_a(t)与x_b(t)为

其中，h₁(t)、h₂(t)两个信号分别是两路被测通路的传输转移特性，即反映被测的信号经过低噪放、可调增益方法、低频采样等过程的信号变化，需要通过该函数将后端采样到的信号转化为引脚端的信号。

对上式信号进行频谱计算，即利用FFT/DFT算法对x(t)进行幻化为频谱信号，得到两个通路信号的频谱(该频谱含有噪声特性)，分别为F_A(x)、F_B(x)。

步骤S101，根据两个通路信号的频谱以及理想频谱转移特性计算获得所述待测器件集电极的噪声谱。

由于示例中NPN管，其基极B(B通路)与集电极C(A通路)之间存在状态转移(由于NPN管的放大特性，集电极噪声要远大于基极的噪声，为此，集电极噪声谱相对于基极而言要更加准确)，假定理想的频谱转移特性函数为H(x)，无噪声情况下，存在：

其中，

是指B端控制信号下产生的C端电压变化，该信号不包含C端自己产生的噪声信号。

在本发明中，H(x)的测试方法为：

1、在基极直流电平上施加不同的正弦波信号；

2、测量集电极的信号变化；

3通过对比不同频点下基极到集电极信号的放大倍数，构建频谱特性下的转移特征函数H(x)。

由于噪声的存在，导致上式存在偏差，可以得到集电极C产生的噪声谱为：

F′_A(x)＝F_A(x)-H(x)×F_B(x)， (公式2)

即，

其中

是受B端控制产生的信号，该值与实测值F_A(x)之间的差为噪声信号。

根据公式2表明，噪声信号的功率谱目的可以看出，由于系统测量结果中的噪声部分包含测量系统带来的噪声，通过B和C端噪声的相关性，可以将系统的公共噪声进行去除，从而提高目标节点的测量精度。

在本发明实施例中，假定电源噪声为A，在基极上电源噪声是直接叠加在信号上的，该噪声受到三极管的放大在集电极的影响会被放大n倍。本发明通过理想的频谱转移曲线，将公共的电源噪声进行了减除，从而得到了更加真实的集电极噪声信号，该过程消除了共模噪声的影响。

一般地，噪声测量首先解决测量问题，即计算F′_A(x)和F_B(x)，通过噪声测量得到真实的噪声谱，其次，还需要解决噪声的来源问题，此时则还需要分析多通道之间的噪声关系。

步骤S2，利用两个通路信号的频谱计算两个通路之间的噪声转移谱曲线，以分析两个通路之间的相关性关系。

在本发明具体实施例中，通过计算待测器件基极与集电极的噪声转移谱曲线，以便分析其基极B(第二通路)与集电极C(第一通路)之间的相关性关系。

具体地，基极B(第二通路)与集电极C(第一通路)之间噪声转移谱曲线变更为：

H_T(x)＝F_A(x)/F_B(x) (公式3)

其中，H_T(x)即为真实环境下的H(x)，即含有噪声的转移特性，描述了噪声在两个端口间的关系，需说明的是，公式1中的H(x)是理想的转移特征函数，通过H_T(x)与之前算出来的理想的转移特征函数H(x)进行对比，在后续分析中可基于该函数分析噪声的来源问题。

.通过分析该噪声转移谱曲线，可以有效地分析基极B(第二通路)与集电极C(第一通路)之间的相关性关系。较于传统的测试方法，即单独测试每个通道的噪声，然后进行分析而言，本发明通过同时测量各通道的噪声，然后获得各通路之间的相关性关系，可使得测量结果更加准确。

综上所述，本发明一种多通道相关的低频噪声测试装置及分析方法通过对两个通道分别进行噪声的测量，能够更好的分析噪声的产生阶段，有助于更好的提取频谱特性能够实现对通路将的共模噪声进行消除，并能够分析噪声信号的转换关系，提高测试精度，通过利用频谱转移特性，实现了对通道间共模噪声的消除，解决了对传统测量过程中无法消除共模噪声的难题。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (5)

1.一种多通道相关的低频噪声测试装置，包括：

待测器件模块，用于为待测器件提供外部的偏置电压，引入待测器件需要关注的噪声信号并输出；

第一路噪声测试通路，用于将所述待测器件模块输出的第一路小信号噪声放大和数字化采样以得到第一路数字噪声信号；

第二路噪声测试通路，用于将所述待测器件模块输出的第二路小信号噪声放大和数字化采样以得到第二路数字噪声信号；

频谱分析模块，用于根据采样后的两路数据，分别计算两个通路输出信号的频谱，根据两个通路输出信号的频谱以及理想频谱转移特性计算待测器件集电极的噪声谱，以进行噪音消除，或根据两个通路输出信号的频谱计算两个通路之间的噪声转移谱曲线，以进行两个通路之间的相关性分析。

2.如权利要求1所述的一种多通道相关的低频噪声测试装置，其特征在于，所述第一路噪声测试通路与第二路噪声测试通路分别包括：

低噪声放大器模块，用于将所述待测器件模块输出的第一或第二路小信号噪声放大；

可调增益放大模块，用于依据待测器件输出的信号幅度大小选择合适的信号增益将所述低噪声放大器模块放大后的噪声信号进行再次放大输出模拟噪声信号；

低频采样模块，用于对所述可调增益放大模块输出的模拟噪声信号进行采样，将模拟噪声信号转化为第一或第二路数字噪声信号。

3.如权利要求2所述的一种多通道相关的低频噪声测试装置，其特征在于，所述频谱分析模块包括：

噪声谱计算模块，用于对每个通路分别计算各通道的噪声谱情况；

相关性分析模块，用于计算两个通路之间的噪声转移谱曲线，以分析两个通路之间的相关性关系。

4.如权利要求3所述的一种多通道相关的低频噪声测试装置，其特征在于，所述噪声谱计算模块具体用于：

分别计算两个通路输出信号的频谱；

根据两个通路信号的频谱以及理想频谱转移特性计算待测器件集电极的噪声谱。

5.一种多通道相关的低频噪声分析方法，其特征在于，适用于权利要求1所述的多通道相关的低频噪声测试装置，所述多通道相关的低频噪声分析方法包括如下步骤：

步骤S1，分别计算两路输出信号的频谱；根据两个通路信号的频谱以及理想频谱转移特性计算所述待测器件集电极的噪声谱；

步骤S2，利用两个通路信号的频谱计算两个通路之间的噪声转移谱曲线，以便分析两个通路之间的相关性关系。

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