Мобильная установка для исследования низкочастотных шумов

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2009, № 5, с. 81-85

УДК 621.391.822

МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШУМОВ

© 2009 г. Е.И. Шмелев, А.В. Клюев, А.В. Якимов

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского shmelev@hotbox.ru

Поступила в редакцию 06.04.2009

Описывается мобильная установка, предназначенная для проведения исследований НЧ-шумов радиоэлектронных приборов в экранированных от внешних электромагнитных помех специализированных помещениях, а также в полевых условиях. Обсуждаются состав и особенности используемого оборудования, методика измерений и обработки экспериментальных данных. Заложенные при разработке установки конструктивные решения и подходы позволили измерить НЧ-шум низкобарьерного диода Шоттки с дельта-легированием при нулевом смещении.

Ключевые слова: мобильная установка, НЧ-шум, Введение

Одним из направлений, активно развиваемых в последние годы, является использование низкочастотного шумового анализа в качестве неразрушающего метода диагностики качества структуры радиоэлектронных приборов. Однако в процессе измерений получаемые оценки статистических характеристик шума прибора зачастую существенно искажаются из-за влияния внешних электромагнитных помех. Это особенно характерно для нелинейных образцов, обладающих малыми шумами (по сравнению с собственным шумом измерительной установки) и способных детектировать внешние помехи.

К таким приборам относятся низкобарьерные диоды Шоттки с дельта-легированием (НБДШ) (см., например, [1]).

В этой связи разработка установки, позволяющей осуществлять измерения шумовых характеристик прибора в наиболее благоприятных, с точки зрения отсутствия внешних помех, условиях, является актуальной задачей.

В настоящей работе описывается структура мобильной установки для измерения и последующего анализа НЧ-шумов полупроводниковых приборов. Установка предназначена для проведения измерений в экранированных от внешних электромагнитных помех специализированных помещениях, а также в полевых условиях. Подобные возможности достигаются за счет того, что установка функционирует от аккумуляторных батарей (в частности, может работать от бортовой сети автомобиля), обеспечивающих достаточный период автономной рабо-

электромагнитные помехи, АЦП, диод Шоттки.

ты, и обладает массогабаритными характеристиками, позволяющими осуществлять транспортировку силами одного человека.

Структура и принцип функционирования установки

Мобильная установка состоит из экранированного от внешних электромагнитных помех блока, в который помещается исследуемый образец. В состав установки также входят предварительный усилитель напряжения, АЦП и персональный компьютер (ноутбук). Блок-схема установки представлена на рис. 1.

В предлагаемой установке НЧ-шум прибора D исследуется путем анализа шумового напряжения Ud , выделяющегося на образце при протекании через него тока Id. Изменение тока Id осуществляется с помощью блока добавочных резисторов Rb . Для эффективного использования АЦП шумовое напряжение Ud усиливается предварительным малошумящим усилителем напряжения Low-Noise Preamplifier 5113 (и, в случае необходимости, Ultra Low-Noise Preamplifier 5184) [2]. Основные характеристики усилителей приведены в табл. 1. Питание предварительных усилителей может осуществляться от интегрированных в их корпуса аккумуляторных батарей.

Усиленное шумовое напряжение оцифровывается с помощью двух модулей: NI-9239 и NI cDAQ-9172 [3]. Непосредственно АЦП располагается в плате аналогового ввода данных NI-9239, которая, в свою очередь, размещается в многофункциональном шасси NI cDAQ-9172, обеспечивающем передачу данных на вход ноутбука. Характеристики плат приведены в табл. 2 и 3.

Рис. 1. Блок-схема мобильной установки

Таблица 1

Технические характеристики Low-Noise Ргеатріійег 5113 ТОга Low-Noise Ргеатріійег 5184

предварительных усилителей

Частотный диапазон 0.1 Гц - 1 МГц 0.5 Гц - 1 МГц

Коэффициент усиления по напряжению 5-50000 1000

Собственные шумы по напряжению относительно входа на частоте 1 кГц 4 нВ/Гц1/2 800 пВ/Гц1/2

Входное сопротивление 10 (100) МОм 5 МОм

Выходное сопротивление 50 Ом 450 Ом

Масса менее 4 кг менее 3 кг

Питание 220 В, 50 Гц / аккумулятор 9 В

Таблица 2

Технические характеристики платы N1 сБЛО-9172

Интерфейс ШВ 2.0

Масса не более 1 кг

Питание 11-30 В

Потребляемая мощность не более 3 Вт

Таблица 3

Технические характеристики платы N1-9239

Количество каналов 4

Максимальная частота дискретизации 50 кГц

Разрядность АЦП 24 бита

Частотный диапазон 0.2 Гц - 50 кГц

Диапазон измеряемых напряжений ±10 В

Для записи и последующей обработки оцифрованных данных применяется разработанный на языке программирования LabVIEW 8.5 программный комплекс, состоящий из блока записи и блока анализа.

Блок записи обеспечивает взаимодействие используемых модулей N1-9239 и N1 cDAQ-9172 с жестким диском компьютера и управляет про-

цессом записи шумового сигнала. С помощью данного блока осуществляется выбор тактовой частоты АЦП платы N1-9239 и длительности записываемой реализации, оценка статистических характеристик сигнала (среднее, дисперсия, мгновенный спектр) и присвоение легенды анализируемому сигналу. С помощью блока записи также задаётся количество используемых каналов платы N1-9239 и их конфигурация (дифференциальный, с общим заземленным проводом, с общим незаземленным проводом), осуществляется выбор способа считывания данных платой (непрерывно, «пачками») и выбор формата данных для сохранения реализации.

Блок анализа представляет собой программный комплекс ADSViewer, разработанный ранее [4] для обработки данных, записанных с помощью платы ADS224x48 (ЗАО «Инструментальные системы», Москва). Данный блок позволяет анализировать следующие статистические характеристики шума:

- осциллограмма, гистограмма;

- значения первых четырех кумулянтов (среднее, дисперсия, коэффициенты асимметрии и эксцесса);

- спектральная плотность мощности, биспектр, функция бикогерентности и параметры их формы.

Для последующей обработки полученной информации о статистических характеристиках шума в блоке предусмотрена возможность сохранения массива данных в текстовом формате.

Блок анализа используется как для предварительного анализа характеристик сигнала, записанного блоком записи, в «мобильных» условиях, так и при детальном изучении в стационарных условиях.

Использование модулей N1-9239 и N1 cDAQ-9172 в совокупности со специализированным программным пакетом LabVIEW 8.5, предназначенным для создания виртуальных измерительных приборов и систем, позволило достигнуть гибкости в функциональных возможностях разработанной установки. Пользователь может в реальном времени расширять и изменять функции мобильной установки для анализа дополнительных параметров, требуемых для анализа НЧ шумовых процессов.

Основные характеристики установки

Массогабаритные характеристики

1. Масса установки с ноутбуком и аккумуляторными батареями не превышает 20 кг.

2. Конструктивно установка без ноутбука размещается в кейсе с размерами 400х300х 150 мм.

Параметры энергопотребления

1. Питание элементов установки осуществляется от аккумуляторных батарей 12 В.

2. Период автономной работы установки ограничивается временем функционирования ноутбука в режиме питания от батареи.

Частотные характеристики

1. Частотный диапазон работы - от 1 Гц до 25 кГц.

2. Минимальный собственный шум мобильной установки на частоте 1 кГц не превышает 850 пВ/Гц12.

Тестирование мобильной установки

Тестирование установки производилось путем измерения спектра НЧ-шума резисторов различного номинала, от 10 кОм до 1 МОм, и сопоставления полученных оценок со значением спектра теплового шума Sv, рассчитанного по формуле Найквиста. На рис. 2 (линия 1) приведен результат измерения спектра теплового шума резистора 40 кОм. Спектр измерялся с использованием предварительного усилителя Ultra Low-Noise Preamplifier 5184. Из рисунка видно, что измеренный спектр удовлетворительно согласуется с формулой Найквиста (Sv&7 • 10-16 В2/Гц). Спектры собственного шума установки с предварительными усилителями Low-Noise Preamplifier 5113 (линия 2) и Ultra Low-Noise Preamplifier 5184 (линия 3) также представлены на рис. 2. Использование предварительного усилителя Low-Noise Preamplifier 5113, обладающего относительно большими шумами, не привело к существенным изменениям результатов измерения спектра теплового шума резистора. Длительность записи временной реализации при получении приведенных выше экспериментальных данных составила 200 секунд при частоте дискретизации 50 кГц. Это обеспе-

Рис. 2. Спектр теплового шума резистора 40 кОм

1100-

10-

1100-

Sv, В2/Гц

f, Гц

0

200

400

600

800

1000

Рис. 3. Спектр шумового напряжения диода Шоттки с дельта-легированием Р-330к с дифференциальным сопротивлением 330 кОм при нулевом смещении

чило возможность измерения спектра в диапазоне частот f от 1 Гц до 20 кГц с точностью до 15% (размер Фурье-преобразования - 16384 точки, количество усреднений - 300).

Спектр НЧ-шума НБДШ при нулевом смещении

Разработанная установка использовалась для измерения шумов НБДШ.

Низкобарьерные диоды Шоттки являются одним из основных нелинейных элементов, используемых при приеме микроволнового излучения и работающих без постоянного смещения. Предварительные измерения спектра НЧ-шума НБДШ при нулевом смещении на стационарной установке показали, что полученные значения не являются достоверными вследствие повышенного уровня электромагнитных помех в лаборатории.

Измеренный спектр НБДШ Б-330к с дифференциальным сопротивлением 330 кОм при нулевом смещении и спектр, полученный по формуле Найквиста для эквивалентного резистора с сопротивлением 330 кОм, представлены на рис. 3. Тестовые измерения НЧ-шума диода при нулевом смещении проводились с использованием мобильной установки в помещении с большей помехозащищенностью. Как видно из рисунка, экспериментальные данные согласуются с формулой Найквиста с точностью до 15%.

Аналогичный результат получен авторами работы [5]. На этом основании можно вынести суждение о представительности измерений, произведенных с помощью разработанной мобильной установки.

Заключение

Конструктивные решения и подходы, заложенные при разработке мобильной установки,

позволили проводить измерения НЧ-шумов полупроводниковых приборов в специализированных помещениях, экранированных от внешних электромагнитных помех, а также в полевых условиях.

Использование модулей NI-9239 и NI cDAQ-9172 в совокупности со специализированным программным пакетом LabVIEW 8.5 дает пользователю возможность в режиме реального времени расширять и изменять функции мобильной установки по измерению дополнительных статистических характеристик НЧ шумовых процессов.

Тестовые измерения спектра НЧ-шума низкобарьерного диода Шоттки с дельта-легированием при нулевом смещении показали работоспособность мобильной установки.

Благодарности

Авторы выражают благодарность сотрудникам ИФМ РАН, в особенности В.И. Шашки-ну и А.В. Мурелю, за предоставленные диоды и конструктивное обсуждение полученных результатов.

Решаемые задачи связаны с работами, выполняемыми по Приоритетному национальному проекту «Образование». Исследования проведены при поддержке программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.-08-3), государственный контракт № 6039р/8473 от 26.05.2008 г., НИОКР «Диагностика внутренних дефектов наноразмерных полупроводниковых структур путем совместного анализа электрофизических свойств и низкочастотных модуляционных шумов».

Список литературы

1. Шашкин В.И., Мурель А.В. Диагностика низкобарьерных диодов Шоттки с приповерхностным 5-легированием // Физика и техника полупроводников. 2008. Т. 42. Вып. 4. С. 500-502.

2. Сайт производителя Low-Noise Preamplifier 5113 и Ultra Low-Noise Preamplifier 5184 [Электрон-

ный ресурс]. иЯЬ: http://www.signalrecovery.com

(дата обращения: 10.12.2008).

3. Сайт производителя модулей N1-9239 и N1 сБЛО-9172 [Электронный ресурс]. URL: http://www. ni.com (дата обращения: 10.12.2008).

4. Андронов А.А., Беляков А.В., Гурьев В.А., Якимов А.В. Интерактивная визуальная разработка приложений автоматизации научных и промышлен-

Semiconductors / Ред. А.В. Якимов. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2002. С. 38-46. URL: http://www.rf.unn.ru/ NATO/index.html (дата обращения: 10.12.2008).

5. Hesler J.L., Crowe T.W. Responsivity and Noise Measurements of Zero-Bias Schottky Diode Detectors //18th Intl. Symp. Space Terahertz Techn. Pasadena, 2007. URL: http://www.vadiodes.com/VDI/pdf/VDI% 20Detector%20Char%20ISSTT2007.pdf (дата обраще-

MOBILE EXPERIMENTAL SET-UP FOR INVESTIGATION OF LOW-FREQUENCY NOISE

E.I. Shmelev, A. V. Klyuev, A. V. Yakimov

A mobile experimental set-up is described which is designed to investigate low-frequency noise of radioelec-tronic devices in EMI shielded rooms as well as in field conditions. The composition and features of the equipment used, the measuring procedure and experimental data processing are discussed. Unit design-in solutions and approaches have made it possible to measure the low-frequency noise of a low-barrier Schottky diode with delta-doping at zero bias.

Keywords: mobile experimental set-up, low-frequency noise, electromagnetic interference (EMI), ADC, Schottky diode.

ных измерительно-управляющих систем в среде ния: 10.12.2008). LabVIEW 6i National Instruments //Труды 2-го рабочего совещания по проекту НАТО SfP-973799