CN115950539A - 一种热噪声测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热噪声测试装置及方法，通过将参考器件和待测器件以交替方式接入在测试系统中，并在相同的测试条件下，通过信号采集及分析模块分别测量参考器件接入时的第一系统热噪声信号值，和待测器件接入时的第二系统热噪声信号值，并根据已知的参考器件的第一器件热噪声值，计算得到待测器件的第二器件热噪声值。本发明可消除在测量器件热噪声时，测试电路中其他因素存在的噪声对测量结果的影响，从而能精确获得器件的热噪声值。

Description

一种热噪声测试装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体测试技术领域，尤其涉及一种热噪声测试装置及方法。

背景技术

热传感器的传感性能受到其噪声的限制，噪声的大小决定了热传感器性能的极限。由于热传感器自身存在的热噪声问题，会对输出的温度信号产生干扰，因此，对热传感器的热噪声测试尤为重要。

在热成像领域中，噪声等效温差(NETD)是热传感器能传感到的最小温差，也是热传感器特有的重要性能指标。因此，为了更好地提高热系统的性能，需要精确测量出热传感器的实际热噪声值，从而针对热传感器及其处理电路进行噪声改进、优化电路。如果要精确测量热传感器的热噪声，就需要消除测试电路及其他因素对热传感器噪声测试的影响。因此，针对热传感器的热噪声，需要更加精确的测量方法。

目前，常用的热噪声测量方法主要包括以下两种。一种是在隔绝环境中热信号对传感器的影响的测试条件下，直接读取热传感器受到热辐射后的输出电压信号峰值，并把该值作为最终的热噪声值。但使用该方法测量热噪声时，电路中放大器本身存在的噪声，会影响测量对热传感器热噪声的读取结果，并且，由于热传感器本身的噪声波动较大，因而无法获得高精度的热传感器热噪声值。

另一种常用方法，是在读取整个测试系统的噪声后，将被测热传感器由测试电路中除去，并用精密线绕电阻代替被测热传感器，再次读取整个系统的噪声。但这种方法忽略了线绕电阻和被测热传感器之间本身就已存在的器件差异，其未考虑线绕电阻产生的热噪声对测量结果的影响，因此同样难以精确获得热传感器的热噪声值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种热噪声测试装置及方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种热噪声测试装置，包括：

设于测试系统中的电源输入模块、被测器件模块、信号发生模块、阻性支路模块和信号采集及分析模块；

所述电源输入模块用于向所述被测器件模块提供偏置信号；

所述信号发生模块用于向所述被测器件模块提供测试信号；所述信号发生模块通过所述阻性支路模块接地；

所述被测器件模块包括待测器件和参考器件；

所述信号采集及分析模块用于测量所述测试系统的热噪声信号；

其中，通过将所述参考器件或所述待测器件交替接入在所述测试系统中，并在相同的条件下，通过所述信号采集及分析模块分别测量所述参考器件接入时的第一系统热噪声信号值，和所述待测器件接入时的第二系统热噪声信号值，并根据已知的所述参考器件的第一器件热噪声值，计算得到所述待测器件的第二器件热噪声值。

进一步地，还包括：设于所述测试系统中的信号放大输出模块；所述信号放大输出模块用于对所述参考器件和所述待测器件的输出信号进行放大，并对应输出第一系统热噪声信号值和第二系统热噪声信号值，所述信号采集及分析模块还根据所述信号放大输出模块的放大倍数，计算得到所述第二器件热噪声值。

进一步地，所述信号采集及分析模块包括信号采集模块和分析模块，所述信号采集模块用于测量所述第一系统热噪声信号值和所述第二系统热噪声信号值，所述分析模块用于根据所述第一系统热噪声信号值和所述第二系统热噪声信号值，所述第一器件热噪声值，所述信号放大输出模块的放大倍数，以及所述信号采集模块的工作带宽，计算得到所述第二器件热噪声值。

进一步地，所述阻性支路模块设有标准电阻，所述标准电阻的一端连接所述信号发生模块，所述标准电阻的另一端接地。

进一步地，所述电源输入模块包括偏置电源，所述信号发生模块包括标准信号发生器，所述信号放大输出模块包括运算放大器，和/或，所述信号采集模块包括频谱分析仪。

进一步地，还包括：信号屏蔽模块，用于将所述测试系统与外部进行信号隔离。

本发明还提供一种热噪声测试方法，包括：

提供待测器件和参考器件；

将参考器件接入测试系统中；

向所述参考器件提供偏置信号和测试信号；

测量所述参考器件输出的第一系统热噪声信号值；

以所述待测器件代替所述参考器件接入所述测试系统中；

在相同的条件下，测量所述待测器件输出的第二系统热噪声信号值；

根据所述第一系统热噪声信号值，所述第二系统热噪声信号值，和已知的所述参考器件的第一器件热噪声值，计算得到所述待测器件的第二器件热噪声值。

进一步地，所述测量所述参考器件输出的第一系统热噪声信号值，具体包括：

先对所述参考器件输出的第一初始系统热噪声信号进行放大，再对经放大后生成的所述第一系统热噪声信号值进行测量；

所述在相同的条件下，测量所述待测器件输出的第二系统热噪声信号值，具体包括：

向所述待测器件提供相同的所述偏置信号和所述测试信号，并先对所述待测器件输出的第二初始系统热噪声信号按相同放大倍数进行放大，再对经放大后生成的所述第二系统热噪声信号值进行测量；

还根据所述放大倍数，计算得到所述第二器件热噪声值。

进一步地，还包括：在一定的工作带宽下，测量所述第一系统热噪声信号值和所述第二系统热噪声信号值，以及还根据所述工作带宽，计算得到所述第二器件热噪声值。

进一步地，计算得到的所述第二器件热噪声值V_D，满足以下公式：

其中，V_n为第二系统热噪声信号值，V_N为第一系统热噪声信号值，V_C为第一器件热噪声值，G为信号放大倍数，Δf为工作带宽。

由上述技术方案可以看出，本发明通过先利用一个参考器件接入测试系统中，在一定的工作带宽下，通过信号采集模块(频谱分析仪)测出整个系统的热噪声信号值(第一系统热噪声信号值)，之后，再用待测器件代替参考器件接入测试系统中，并在相同的条件下，通过同一个信号采集模块(频谱分析仪)测出整个系统的热噪声信号值(第二系统热噪声信号值)，再根据已知的参考器件的热噪声值(第一器件热噪声值)，信号放大倍数和工作带宽，通过简单计算即可得出待测器件的热噪声值(第二器件热噪声值)。本发明通过采用参考替代的方法代替传统的直接测试方法，可避免直接测量时的微弱信号波动带来的测试误差，并可消除除热传感器件外系统中存在的其他噪声的影响，从而能获得精确的热传感器件的热噪声值。因此，本发明可适用于针对各类热传感器件的噪声测试，且测得的热传感器件的噪声值，可用于噪声等效温差和信噪比的计算，有利于更好地提高热传感系统的整体性能。

附图说明

图1-图2为本发明一较佳实施例的一种热噪声测试装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

请参阅图1，图1为本发明一较佳实施例的一种热噪声测试装置的结构示意图。如图1所示，本发明的一种热噪声测试装置，可包括连接设于测试系统中的电源输入模块、被测器件模块、信号发生模块、阻性支路模块和信号采集及分析模块。

其中，电源输入模块用于向被测器件模块提供偏置信号。

信号发生模块用于向被测器件模块提供测试信号。信号发生模块通过阻性支路模块接地。

被测器件模块包括待测器件(待测热传感器件)和参考器件(参考热传感器件)。

信号采集及分析模块用于测量测试系统的热噪声信号。

其中测试系统工作时，待测器件和参考器件分别接入测试系统进行测试。通过将参考器件或待测器件交替接入在测试系统中，并在相同的测试条件下，通过信号采集及分析模块分别测量参考器件接入时的第一系统热噪声信号值，和待测器件接入时的第二系统热噪声信号值，并根据已知的参考器件的第一器件热噪声值，计算得到待测器件的第二器件热噪声值。

请参阅图1。在一些实施例中，还可包括设于测试系统中的信号放大输出模块。信号放大输出模块用于对参考器件和待测器件的输出信号进行放大，并对应输出第一系统热噪声信号值和第二系统热噪声信号值。信号采集及分析模块可根据测量得到的第一系统热噪声信号值(第一系统热噪声值)和第二系统热噪声信号值(第二系统热噪声值)，已知的第一器件热噪声值，以及信号放大输出模块的信号放大倍数，计算得到第二器件热噪声值。

在一些实施例中，信号采集及分析模块可包括信号采集模块和分析模块。其中，信号采集模块可用于测量第一系统热噪声信号值和第二系统热噪声信号值；分析模块可用于根据第一系统热噪声信号值和第二系统热噪声信号值，已知的第一器件热噪声值，信号放大输出模块的放大倍数，以及信号采集模块的工作带宽，计算得到第二器件热噪声值。

在一些实施例中，偏置信号、测试信号、第一系统热噪声信号值和第二系统热噪声信号值可以是电压信号值，第一系统热噪声值、第二系统热噪声值、第一器件热噪声值和第二器件热噪声值可以是电压值。

请参阅图2并结合参阅图1。在一些实施例中，电源输入模块可包括偏置电源。

在一些实施例中，偏置电源可包括电池等。

在一些实施例中，信号发生模块可包括标准信号发生器等。

在一些实施例中，参考器件可包括参考热传感器。待测器件可包括待测热传感器。

在一些实施例中，信号放大输出模块可包括运算放大器等。

进一步地，运算放大器可采用可调放大器，可根据输入信号的大小，对应调节放大倍数。

在一些实施例中，信号采集模块可包括频谱分析仪等。频谱分析仪可具有一定的工作带宽。

在一些实施例中，分析模块可包括上位机等。

在一些实施例中，阻性支路模块可设有标准电阻。其中，标准电阻的一端可连接标准信号发生器，标准电阻的另一端接地，可起到保护电阻的作用。

在一些实施例中，被测器件模块两端的测试系统的测试电路中可设有接口，可用于将待测热传感器件或参考器件方便地接入测试系统中进行测试。

在一些实施例中，还可包括信号屏蔽模块。信号屏蔽模块可用于将整个测试系统(测试装置)与外部进行信号隔离。

在一些实施例中，信号屏蔽模块可包括金属信号屏蔽外壳，可用来屏蔽整个测试装置不受外界信号的串扰影响，以提高系统的测试精度。

在一些实施例中，标准信号发生器的两个输出端分别接入标准电阻以及参考器件(或待测器件)的输入端。标准电阻作为保护电阻通过输出端接地。参考器件的输出端输入到运算放大器的输入端；运算放大器的输出端输入到频谱分析仪的输入端。频谱分析仪的输出端输入到上位机的输入端。

装置工作时，可使用参考代替法，先将参考器件通过接口接入测试系统的测试电路中。然后，启动测试。在一定的工作带宽Δf下，通过频谱分析仪读出由参考器件输出，并经运算放大器放大后的第一系统热噪声信号电压V_N，即通过频谱分析仪测出此时整个系统的噪声电压V_N。由于已知参考器件的第一器件热噪声值V_C(噪声电压值)，故可以得出测试系统中排除参考器件后的电路系统(即测试系统中的其他部分)的噪声电压为(V_N-V_C)。之后，再用待测器件代替参考器件，并通过接口接入测试系统的测试电路中，并在相同的测试条件下，通过频谱分析仪再次读出由待测器件输出，并经运算放大器放大后的第二系统热噪声信号电压V_n，即通过频谱分析仪再次测出此时整个系统的噪声电压V_n。从而可进一步通过上位机的计算，得到待测器件的第二器件热噪声值V_D(噪声电压值)。详细的计算方法，可在以下进行详细说明。

下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明的一种热噪声测试方法进行详细说明。

请参阅图1-图2。本发明的一种热噪声测试方法，可基于上述本发明的一种热噪声测试装置加以实现，并可包括以下步骤：

步骤S1：提供待测器件和参考器件。

在一些实施例中，参考器件可以是参考热传感器。待测器件可以是待测热传感器。

步骤S2：将参考器件接入测试系统中。

在一些实施例中，测试系统中可设有偏置电源、标准信号发生器、运算放大器、频谱分析仪和上位机等；标准信号发生器还连接标准电阻的一端，标准电阻的另一端接地，可起到保护作用。从而组成测试系统。

首先，可将参考器件接入在偏置电源、标准信号发生器以及运算放大器三者之间的接口上，从而将参考器件接入测试系统的测试电路中，并也成为测试系统的组成部分。

步骤S3：向参考器件提供偏置信号和测试信号。

然后，可通过偏置电源向参考器件提供偏置信号电压。并可通过标准信号发生器向参考器件提供测试信号电压。参考器件接收到偏置信号电压和测试信号电压后，将对应输出反映此时的系统热噪声的第一初始系统热噪声信号电压。

步骤S4：测量参考器件输出的第一系统热噪声信号值。

接着，可通过运算放大器，对参考器件输出的第一初始系统热噪声信号值以一定的信号放大倍数G进行放大；再通过频谱分析仪，并在一定的工作带宽Δf下，对由第一初始系统热噪声信号经信号放大后生成的第一系统热噪声信号值进行读出测量，并将测量得到的第一系统热噪声信号值V_N(电压值)输出至上位机。

由于已知参考器件的第一器件热噪声值V_C(噪声电压值)，故上位机可以计算得出测试系统中排除参考器件后的电路系统(即测试系统中的其他部分)的噪声电压为(V_N-V_C)。

步骤S5：以待测器件代替参考器件接入测试系统中。

然后，将参考器件从测试系统中取出，并将待测器件代替参考器件，安装在接口上，从而接入测试系统中。

步骤S6：在相同的条件下，测量待测器件输出的第二系统热噪声信号值。

接着，在相同的条件下，即在相同的偏置信号电压和测试信号电压下，对待测器件进行测试。并采用相同的信号放大倍数G，对待测器件输出的第二初始系统热噪声信号进行放大；再通过频谱分析仪，并在相同的工作带宽Δf下，对由第二初始系统热噪声信号经相同放大倍数放大后生成的第二系统热噪声信号值进行读出测量，并将测量得到的第二系统热噪声信号值V_n(电压值)输出至上位机。

步骤S7：根据第一系统热噪声信号值，第二系统热噪声信号值，和已知的参考器件的第一器件热噪声值，计算得到待测器件的第二器件热噪声值。

上位机获取到上述的第一系统热噪声信号值V_N、第二系统热噪声信号值V_n后，根据已知的参考器件的第一器件热噪声值V_C，运算放大器的信号放大倍数G，以及频谱分析仪的工作带宽Δf，即可通过以下的计算公式进行计算：

从而可通过简单计算，得到待测器件的第二器件热噪声值V_D(噪声电压值)。

综上，本发明通过先利用一个参考器件接入测试系统中，在一定的工作带宽下，通过频谱分析仪测出整个系统的第一系统热噪声信号值；之后，再用待测器件代替参考器件接入测试系统中，并在相同的条件下，通过同一个频谱分析仪测出整个系统的第二系统热噪声信号值；再根据已知的参考器件的第一器件热噪声值，信号放大倍数和工作带宽，通过简单计算即可得出待测器件的第二器件热噪声值。本发明通过采用参考替代的方法代替传统的直接测试方法，可避免直接测量时的微弱信号波动带来的测试误差，并可消除除热传感器件外系统中存在的其他噪声的影响，从而能获得精确的热传感器件的热噪声值。本发明可适用于针对各类热传感器件的噪声测试，且测得的热传感器件的噪声值，可用于噪声等效温差和信噪比的计算，有利于更好地提高热传感系统的整体性能。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种热噪声测试装置，其特征在于，包括：

设于测试系统中的电源输入模块、被测器件模块、信号发生模块、阻性支路模块和信号采集及分析模块；

所述电源输入模块用于向所述被测器件模块提供偏置信号；

所述信号发生模块用于向所述被测器件模块提供测试信号；所述信号发生模块通过所述阻性支路模块接地；

所述被测器件模块包括待测器件和参考器件；

所述信号采集及分析模块用于测量所述测试系统的热噪声信号；

其中，通过将所述参考器件或所述待测器件交替接入在所述测试系统中，并在相同的条件下，通过所述信号采集及分析模块分别测量所述参考器件接入时的第一系统热噪声信号值，和所述待测器件接入时的第二系统热噪声信号值，并根据已知的所述参考器件的第一器件热噪声值，计算得到所述待测器件的第二器件热噪声值。

2.根据权利要求1所述的热噪声测试装置，其特征在于，还包括：设于所述测试系统中的信号放大输出模块；所述信号放大输出模块用于对所述参考器件和所述待测器件的输出信号进行放大，并对应输出第一系统热噪声信号值和第二系统热噪声信号值，所述信号采集及分析模块还根据所述信号放大输出模块的放大倍数，计算得到所述第二器件热噪声值。

3.根据权利要求2所述的热噪声测试装置，其特征在于，所述信号采集及分析模块包括信号采集模块和分析模块，所述信号采集模块用于测量所述第一系统热噪声信号值和所述第二系统热噪声信号值，所述分析模块用于根据所述第一系统热噪声信号值和所述第二系统热噪声信号值，所述第一器件热噪声值，所述信号放大输出模块的放大倍数，以及所述信号采集模块的工作带宽，计算得到所述第二器件热噪声值。

4.根据权利要求1所述的热噪声测试装置，其特征在于，所述阻性支路模块设有标准电阻，所述标准电阻的一端连接所述信号发生模块，所述标准电阻的另一端接地。

5.根据权利要求3所述的热噪声测试装置，其特征在于，所述电源输入模块包括偏置电源，所述信号发生模块包括标准信号发生器，所述信号放大输出模块包括运算放大器，和/或，所述信号采集模块包括频谱分析仪。

6.根据权利要求1所述的热噪声测试装置，其特征在于，还包括：信号屏蔽模块，用于将所述测试系统与外部进行信号隔离。

7.一种热噪声测试方法，其特征在于，包括：

提供待测器件和参考器件；

将参考器件接入测试系统中；

向所述参考器件提供偏置信号和测试信号；

测量所述参考器件输出的第一系统热噪声信号值；

以所述待测器件代替所述参考器件接入所述测试系统中；

在相同的条件下，测量所述待测器件输出的第二系统热噪声信号值；

根据所述第一系统热噪声信号值，所述第二系统热噪声信号值，和已知的所述参考器件的第一器件热噪声值，计算得到所述待测器件的第二器件热噪声值。

8.根据权利要求7所述的热噪声测试方法，其特征在于，所述测量所述参考器件输出的第一系统热噪声信号值，具体包括：

先对所述参考器件输出的第一初始系统热噪声信号进行放大，再对经放大后生成的所述第一系统热噪声信号值进行测量；

所述在相同的条件下，测量所述待测器件输出的第二系统热噪声信号值，具体包括：

向所述待测器件提供相同的所述偏置信号和所述测试信号，并先对所述待测器件输出的第二初始系统热噪声信号按相同放大倍数进行放大，再对经放大后生成的所述第二系统热噪声信号值进行测量；

还根据所述放大倍数，计算得到所述第二器件热噪声值。

9.根据权利要求8所述的热噪声测试方法，其特征在于，还包括：在一定的工作带宽下，测量所述第一系统热噪声信号值和所述第二系统热噪声信号值，以及还根据所述工作带宽，计算得到所述第二器件热噪声值。

10.根据权利要求9所述的热噪声测试方法，其特征在于，计算得到的所述第二器件热噪声值V_D，满足以下公式：

其中，V_n为第二系统热噪声信号值，V_N为第一系统热噪声信号值，V_C为第一器件热噪声值，G为信号放大倍数，Δf为工作带宽。

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