【正文】 的分析和綜合 中占有重要位置，能夠用相關(guān)技術(shù)解決的工業(yè)問題 范圍很廣 ， 基于相關(guān)技術(shù)的檢測系統(tǒng)也有很多。 167。對于非周期的慢變信號(hào)，常用調(diào)制或斬波的方式 賦予其一定的周期性，之后再進(jìn)行取樣積分或數(shù)字式平均 處理。 多年來，取樣積分在物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、核磁共振等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，對于恢復(fù) 淹沒在噪聲中的周期或似周期脈沖波形卓有成效。 然后對這些時(shí)間間隔的信號(hào)進(jìn)行取樣，并將各周期中處于相 同位置 （對于信號(hào)周期起點(diǎn)具有相同的延時(shí)）的取樣進(jìn)行積分或平均。1962 年，加利福尼亞大學(xué)勞倫茨實(shí)驗(yàn)室的 Klein 用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了取樣積分，并命名為 BOXCAER 積分器。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 對于這類信號(hào)的測量，必須使用其他的有效方法，取樣積分和數(shù)字式平均就是這樣的方法。但是如果需要恢復(fù)淹沒在噪聲中的脈沖波形，則鎖定放大器 是無能為力的。 167。而且 Q 值太高的帶通濾波器往往不穩(wěn)定，溫度、電源電壓的波動(dòng)均會(huì)使濾波器的中心頻率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其通頻帶不能覆蓋信號(hào)頻率，使得測量系統(tǒng)無法平穩(wěn)可靠地進(jìn)行測量。對于微弱的直流或慢變信號(hào)，調(diào)制后的正弦信號(hào)也必然微弱。 鎖相放大 對于幅度較小的直流信號(hào)或慢變信號(hào)，為了防止 1/f 噪聲和直流放大的直流漂移（例如運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電 壓的溫度漂移）的不利影響，一般都是用調(diào)制器或斬波器將其變換成交流信號(hào)后，再進(jìn)行放大和處理，用帶通濾波器抑制寬帶噪聲，提高信噪比，之后再進(jìn)行解調(diào)和低通濾波，以得到放大了的被測信號(hào) 。而對于信號(hào)的處理和分析技術(shù)，無論是在前放電路的性能分析還是在硬件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域里都起著舉足輕重的地位。但是，無論使用了怎樣的新技術(shù) ，都是河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 利用了有用信號(hào)和噪聲之間的差別來將他們區(qū)分開來，例如淹沒在噪聲里面的孤立脈沖信號(hào)，我們可以利用有用信號(hào)和噪聲的相關(guān)函數(shù)的不同來區(qū)分它們，而對于工程上的實(shí)現(xiàn)，卻是需要無數(shù)人的努力。 167。通過改善半導(dǎo)體制作工藝，可使半導(dǎo)體材料的純度提高，雜質(zhì)含量減少，爆裂噪聲得以改善。 理論分析證明，爆裂噪聲 Ib 的功率譜密度可表示為 Sb（ f） =KbIb/（ 1+（ f/fo） 2 ） (A2 /Hz) 式中， Ib 為直流電流； Kb 為取決于半導(dǎo) 體材料中雜質(zhì)情況的常數(shù)； fo 為轉(zhuǎn)折頻率，當(dāng) ffo 時(shí)，功率譜 密度曲線趨于平坦。 如果將爆裂噪聲放大并送到揚(yáng)聲器中，可聽到類似于爆玉米花的爆裂聲，背景炒聲是散彈噪聲和熱噪聲。因?yàn)槊}沖的幅度只是 PN 結(jié)雜質(zhì)特性的函數(shù)，對于某個(gè)特定的半導(dǎo)體器件樣品，爆裂噪聲的幅度是固定的，所以通常的爆 裂噪聲電流只在兩種電流值之間切換。引起爆裂噪聲的原因是半導(dǎo)體材料中 的雜質(zhì)（通常是金屬雜質(zhì)），這些雜質(zhì)能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子。 爆裂噪聲 爆裂噪聲（ burst noise）是一種流過半導(dǎo)體 PN 結(jié)電流的突然變化。幾十年來 1/f 噪聲的物理機(jī)理一直是國際上研究的熱點(diǎn)，已經(jīng)有多種模型被提出，它們分別適用于不同的器件或工作河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 環(huán)境。因?yàn)槠涔β首V密度正比于 1/f，頻率越低 1/f 噪聲越嚴(yán)重，所以通常又稱 1/f 噪聲為低頻噪聲。 1/f 噪聲 1/f 噪聲是由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的，凡是有導(dǎo)體接觸不理想的器件都存在 1/f 噪聲， 所以 1/f 噪聲又叫做接觸噪聲。因此， 為了減少散彈噪聲的不利影響，流過 PN 結(jié)的平均直流 電流 應(yīng)該越小越好，對于放大器的前置級(jí)尤其是這樣。 實(shí)際的檢測電路都具有一定的頻帶寬度，工作于電路系統(tǒng)中的 PN 結(jié)的散彈噪聲電流的功率 Psh 為 Psh=E[Ish 2 ]=?B St（f）df=?B 2qIdcdf=2qIdcB 式中， Ish 為隨機(jī)的散彈噪聲電流值； B 為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬，單位為 Hz。近年的研究表明，此式僅適用于小注入， 低頻工作情況。 電流流過半導(dǎo)體 PN 結(jié)產(chǎn)生的散彈噪聲也服從上述規(guī)律，散彈噪聲表現(xiàn)為流過 PN 結(jié)電流的小幅度隨機(jī)波動(dòng)。 肖特基（ ）于 1918 年在 熱陰極電子管中發(fā)現(xiàn)了散彈噪聲，并對 其進(jìn)行了理論研究，他證明散彈噪聲電流 Ish 是一種白噪聲，其功率譜密度函數(shù)為 Sch（ f） =2qIdc（ A5 /Hz） 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式中， q 為電子電荷， q=10 19? C。在半導(dǎo)體器件中，越過 PN 結(jié)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散以及空穴電子對的隨機(jī)產(chǎn)生和組合導(dǎo)致散彈噪聲。電子或空穴的隨機(jī)發(fā)射導(dǎo)致流過勢壘的電流在其平均值附近隨機(jī)起伏，從而引起散彈噪聲。 PN 結(jié)的散射噪聲 PN 結(jié)的散射噪 聲（ shot noise）又叫做散粒噪聲。在室溫下（ T=300K） ，當(dāng) f≈1012 Hz 時(shí)，將式中分母中的指數(shù)函數(shù)展開為泰勒級(jí)數(shù)，并取其前兩項(xiàng)來近似，即 Exp[hf/(kT)]≈1+hf/(kT) 一般檢測系統(tǒng)的工作頻率要比 1012 Hz 低得多，所以此式被廣泛應(yīng)用。s） ， f 為頻率。 因?yàn)閷?shí)際的檢測電路都具有一 定的頻帶寬度，工作于電路系統(tǒng)中的電阻R 的熱噪聲 Pt=E[et2 ]=?B St（f）df=?B4kTRdf=4kTRB 式中， B 為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬，單位為 Hz， et 為熱噪聲電壓值，得出的Pt 的單位為 V2 。實(shí)際上，在很高頻率及很低溫度時(shí)， St河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ f）將發(fā)生變化。Ω)。之后奈奎斯特（ Nyquist）利用熱動(dòng)力學(xué)推理的方法，以數(shù)學(xué)方式描述了熱噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，他證明了熱噪聲 et 的功率譜密度函數(shù)為 St（ f） =4kTR（ V2 /Hz） 式中， k 為波爾茲曼（ Boltzmann）常數(shù)， k=1023? J/K； T 為電阻的絕對溫度， K； R 為電阻的阻值， Ω。電阻的熱噪聲起源于電阻中電子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時(shí)堆積，形成噪聲電壓。 167。在各種測試系統(tǒng)中，固有噪聲的大小決定了系統(tǒng)的分辨率和可檢測的最小信號(hào)幅度。但是，電子系統(tǒng)內(nèi)部幾乎所有的器件本身往往就是噪聲源，在放大微弱信號(hào)的同時(shí)，這些聲源產(chǎn)生的噪聲同樣會(huì)被放大。熱力引起的載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是熱噪聲的根源， 其幅度取決于溫度，也與導(dǎo)體的電阻值有關(guān)，即使沒有電流流過導(dǎo)體，熱噪聲 依然存在。 由組成檢測電路的元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲稱之為固有噪聲，它是由電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的。另一個(gè)例子是部分電路可能扮演天線的角色，從而接收廣播信號(hào)。這種疊加在有用信號(hào)上的外部干擾噪聲可能是隨機(jī)的，也可能是確定的。 前放電路的噪聲源和噪聲特性 對于電子噪聲，通常有兩種定義：一種是由于電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的電壓或電流的隨機(jī)波動(dòng)，另一種是污染或者干擾有用信號(hào)的不期望的信號(hào)。目前，微弱 信號(hào)檢測的原理、方法和設(shè)備已經(jīng)成為很多領(lǐng)域中進(jìn)行現(xiàn)代科學(xué)研究不可缺少的手段，而未來科技的發(fā)展也必將對微弱信號(hào)檢測技術(shù)提出更高的要求。 表 11 檢測的最高分辨率 檢測方法 檢測量 電壓 /nV 電流 /nA 溫度 /K 電容 /pF 微量分析 /克分子 SNIR 常規(guī)檢測方法 310 10 4? 10 5? 10 微弱信號(hào)檢測方法 10 5? 510 7? 10 5? 10 8? 105 吉時(shí)利公司 10 3? 10 8? 10 6? 自從 1962 年第一臺(tái)鎖相放大器問世四十多年來，經(jīng)過很多科學(xué)工作者的不懈努力，微弱信號(hào)檢測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，信噪改善比 SNIR 得到不斷提高。 表 11 對比了常規(guī)檢測儀器與微弱信號(hào)檢測方法所能達(dá)到的最高分辨率和 SNIR， 表中的最后一行是專門從事微弱信號(hào)檢測儀器生產(chǎn)的吉時(shí)利（ Keithley）公司的產(chǎn)品近年能夠達(dá)到的指標(biāo)。一般情況下，靈敏度越高，分辨率越好 。檢測分辨率不同于檢測靈敏度，后者定義為輸出變化量 Δy與引起 Δy的輸入變化量 Δx之比，即靈敏度等于 Δy/Δx。 SNIR越大，表明系統(tǒng)抑制噪聲的能力越強(qiáng)。評(píng)價(jià)一種微弱信號(hào)檢測方法的優(yōu)劣，經(jīng)常采用兩種指標(biāo)：一種是信噪改善比 SNIR（ signal noise improvement ratio），另一種是有效的檢測分辨率。 信噪比 為了表征噪聲對信號(hào)覆蓋程度，人們引入了信號(hào)比 SNR 的概念，信噪比指的是信號(hào)的有效值 S 與噪聲的有效值 N 之比，即 SNR=S/N 信噪比可以是電壓比值，一般表示為 SNRv；也可以是功率比值，一般表示為 SNRp。為了達(dá)到這樣的目的，必須研究微弱信號(hào)檢測的理論、方法和設(shè)備。但是，由于被測量的信號(hào)微弱，傳感器的本底噪聲、放大器電路以及測量儀器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲往往比有用信號(hào)的幅度大的多，放大被測信號(hào)的過程同時(shí)也放大了噪聲，而且 必然 還會(huì)附加一些額外的噪聲，例如放大器的內(nèi)部固有 噪聲和各種外部干擾的影響，因此只靠 放大時(shí)不能把微弱信號(hào)檢測出來的。微弱信號(hào)檢測技術(shù)不同于一般的檢河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 測技術(shù)，它注重的不是傳感器的物理模型和傳感器原理、相應(yīng)的 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和儀器實(shí)現(xiàn)方法，而 是如何抑制噪聲和提高信噪比，因此可以說，微弱信號(hào)檢測 是 一門專門抑制噪聲的技術(shù)。為了檢測被 背景 噪聲 覆蓋著 的微弱信號(hào)，人們進(jìn)行了長期的研究工作，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號(hào)的特點(diǎn)、相關(guān)性以及噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，以尋找出從背景噪聲中檢測出有用信號(hào)的方法。 167。因而頻域處理更為重要。 信號(hào)處理包括時(shí)域和頻域處理，時(shí)域處理中最典型的是波形分析，示波器就是一種最通用的波形分析和測量儀器。信號(hào)的分析 是信號(hào)的處理的基礎(chǔ)。 167。例如在動(dòng)態(tài)測試過程中，首先要 解決傳感器的頻率響應(yīng)的正確選擇問題，為此必須通過對被測信號(hào)的頻譜分析，掌握其頻譜特性，才能較好地解決這個(gè)問題。信號(hào)分析中一種最基本的方法是：將頻率作為信號(hào)的自變量，在頻域里進(jìn)行信號(hào)的頻譜分析。信號(hào)分析 就是將 復(fù)雜信號(hào)分解為河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 若干簡單信號(hào)分量的疊加，并以這些分量的組成情況去考察信號(hào)的特征。例如，我們可以將信號(hào)分解成傅里葉級(jí)數(shù)，傅里葉變換以頻譜密度概念清楚地展示了信號(hào)的頻譜，物理概念十分明確。在尋找能夠識(shí)別這些信號(hào)的基本方法中，函數(shù)的正交分解提供了一種有效地途徑。同樣地，隨時(shí)間變化規(guī)律不同的信號(hào)，具有 不同 的外部特征，他們攜帶著不同的 信息。正如自然界各種各樣的物質(zhì)千差萬別一樣，信號(hào)也是千差萬別的。 167。另一方面，由于近 20 年來電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理的硬件和軟件產(chǎn)品已經(jīng)非常豐富，在計(jì)算機(jī)速度上也可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。 信 號(hào)的分析和處理技術(shù)可以分為模擬信號(hào)分析與處理技術(shù)和數(shù)字信號(hào)分析與 處理技術(shù)。測試過程就是針對被測對象的特點(diǎn)，利用相應(yīng)的傳感器， 將 被測物理量轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（隨著時(shí)間變化的電壓或者電流），然后，按一定的目的對信號(hào)進(jìn)行分析和處理，從而探明被測對象 內(nèi)在的規(guī)律的過程。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 1章 引 論 167。 本研究對象的前置 放大電路也有不少人從事相關(guān)的測試，但是就我所見，有些測試設(shè)備有些 混亂，有些可以精簡， 而且模塊化不強(qiáng) 。 面對當(dāng)前我國的測試行業(yè)現(xiàn)狀，一種基于虛擬儀器的測試技術(shù)不斷發(fā)展，這充分的利用了計(jì)算機(jī)硬件 資 源的超高性價(jià)比，以及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，使得測試工作變得相對容易。與迅速發(fā)展的設(shè)計(jì)業(yè)相比之下，我國測試業(yè)的發(fā)展 相對滯后，目前能夠獨(dú)立承擔(dān)專業(yè)測試服務(wù)的公司寥寥無幾，不能滿足眾多 IC設(shè)計(jì)公司的驗(yàn)證分析和產(chǎn)業(yè)化測試需求，已日益成為我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。近幾年來，對于剛剛提速的國內(nèi)半導(dǎo)體業(yè)來說，其測試能力相對 IC 設(shè)計(jì) 、制造、封裝，這卻是最薄弱的一環(huán)。 一個(gè)性能良好的前放電路對于系統(tǒng) 至關(guān)重要，那么擁有一套行之有效的前放電路專用檢測設(shè)備對于每一個(gè)從事前放電路相關(guān)的研究開發(fā)，以及使用的技術(shù)人員來說都顯得極其重要，就此設(shè)備的設(shè)計(jì)本身而言，對我自己的理論聯(lián)系實(shí)際，以及動(dòng)手能力，綜合運(yùn)用相關(guān)工具 的 能力提高也具有深遠(yuǎn)意義。 廣義地說，前放電路包括一切對初始信號(hào)進(jìn)行選擇，放大，以及優(yōu)化修飾的電路，特別是對初始信號(hào)的選擇和放大。輸入放大器的作用是將音源信號(hào)放大到額定電平，通常是 1V 左右。組成前放電路的基本組成有：音源選擇、輸入放大和音質(zhì)控制等電路。 實(shí)驗(yàn)用簡易可編程電源實(shí)現(xiàn) ...................................................35 結(jié) 論 ......................................................................................................37 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................38 致 謝 ......................................................................................................40 附 錄 .................................................