Вимірювання шумів у електронних пристроях методом Фур'є перетворення

Бічна панель сторінки статті

Спектральні залежності потужності шуму для різних номіналів резисторів в логарифмічних координатах; горизонтальні лінії – розрахункові значення теплового шуму (вставка – залежності в напівлогарифмічних координатах)
PDF (English) Fig. 1 (English) Fig. 2 (English) Fig. 3 (English) Fig. 4 (English) Fig. 5 (English) Fig. 6 (English) Fig. 7 (English)
Опубліковано: лют 4, 2025
DOI: https://doi.org/10.20535/2523-4455.mea.314855
Ключові слова:
електронні пристрої, резистори, спектральний аналіз, перетворення Фур’є, термічний шум, шумова діагностика

Основний зміст сторінки статті

Іван В. Падалка
Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка
https://orcid.org/0009-0007-4071-5878
д-р фіз.-мат. наук проф. Ігор Степанович Вірт
Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка
https://orcid.org/0000-0001-7200-6055

Анотація

У роботі розглянуто та проаналізовано метод вимірювання шумових характеристик електронних кіл та пристроїв на основі збору даних цифровим осцилографом з вбудованим Фур’є перетворенням. Методика процесу вимірювань та її аналіз продемонстровані на визначенні шумових характеристик промислових резисторів. Це, зокрема, термічного (білого) шуму у який є переважаючим типом шуму для резисторів. Робота містить огляд шумових властивостей резисторів, існуючих методів вимірювань, а також питань теорії таких вимірювань. 


Для визначення джерел шуму у  промислових резисторах  запущено швидке перетворення Фур’є сигналу (FFT) в реальному часі на осцилографі.  Засобом FFT визначено спектри теплового (білого) шуму використовуючи загальну кількість точок 212. Тим не менш, важко дати будь-які рекомендації щодо того, яке устакування слід використовувати для певного типу або технології резистора, оскільки для більшості установок рівень шуму невідомий і доступні лише деякі результати вимірювань.


Оцінено відношення середнього значення спектральної густини потужності теплового шуму (PSD) в частотному діапазоні вимірювань до його розрахункового теоретичного значення за омічним номіналом вимірювальних вугільних промислових резисторів.

Блок інформації про статтю

Як цитувати
[1]
І. В. Падалка і І. С. Вірт, «Вимірювання шумів у електронних пристроях методом Фур’є перетворення», Мікросист., Електрон. та Акуст., с. 314855.1–314855.11, Лют 2025.
Номер
Попередній доступ
Розділ
Електронні системи та сигнали
Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
Біографія автора

д-р фіз.-мат. наук проф. Ігор Степанович Вірт, Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка

ВІРТ Ігор Степанович

VIRT Igor Stepanovych (09. 09. 1956, village Voroblevychi Drohobych district Lviv region) – physicist. Doctor of Physical and Mathematical Sciences (2002). Graduated from Lviv University (1978). Worked in 1978–79 at Lviv Research Institute of Materials; from 1979 – at Drohobych Pedagogical University (from 2004 – professor). Scientific research in the field of semiconductor physics: physical phenomena in A2B6 compounds and semiconductors with a narrow band gap, photoelectric and optical properties of semiconductors, physics of macrodefects and clusters in solids, epitaxial films, solid-state devices and infrared technology, micro- and nanoelectronics.

Main works

Effect of electric field on relaxation of photoconductivity in Hg08Cd02Te crystals // FTP. 1997. Vol. 31, issue 8; Non-equilibrium processes in n+–p transitions based on Hg1-xCdxTe in a magnetic field // Letters in ZhTP. 1997. No. 22; Modeling of growth of thin solid films obtained by pulsed laser deposition // Applied Surface Science. 2000. Vol. 168, No. 4 (co-author); Effect of thermal neutron irradiation on the electrophysical and photoelectric properties of Hg08Cd02Te crystals // Semiconductor Physics, Quantum Electronics. 2000. Vol. 3, No. 3 (co-author).

Посилання

D. Walter, A. Bülau, A. Zimmermann “Review on Excess Noise Measurements of Resistors”, Sensors, vol.1107, no 3, pp.1-29, 2023, DOI: https://doi.org/10.3390/s23031107.

M. M. Jevtic, I. Mrak , Z. Stanimirovic “Thick-film resistor quality indicator based on noise index measurements”, Microelectronics Journal, vol. 30, no.12, pp. 1255–1259, 1999, DOI: https://doi.org/10.1016/S0026-2692(99)00050-6.

D. Rocak, D. Belavic, M. Hrovat, J. Sikula, P. Koktavy, J. Pavelka, V. Sedlakova “Low-frequency noise of thick-film resistors as quality and reliability indicator”, Microelectronics Reliability, vol. 41, no. 4, pp. 531-542, 2001, DOI: https://doi.org/10.1016/S0026-2714(00)00255-9.

M. M. Jevtic, Z. Stanimirovic, I. Stanimirovic “Evaluation of thick-film resistor structural parameters based on noise index measurements”, Microelectronics Reliability, vol. 41, no.1, pp. 59-66, 2001, DOI: https://doi.org/10.1016/S0026-2714(00)00207-9.

E. P. Vandamme, L. K. J. Vandamme “Current crowding and its efect on 1/f noise and third harmonic distortion a case study for quality assessment of resistors”, Microelectronics Reliability, vol. 40, no. 11, pp. 1847-1853, 2000, DOI: https://doi.org/10.1016/S0026-2714(00)00091-3.

L. Chen, Y. Duan, Y. Liang “Analysis of non-ideal factors for a high precision interpolated resistor string DAC”, Microelectronics Journal, vol. 143, no. 106049, pp. 1-6, 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2023.106049.

L. B. Kish “Zero-point thermal noise in resistors? a conclusion”, Metrol. Meas. Syst., vol. 26, no. 1, pp. 3–11, 2019, DOI: https://doi.org/10.24425/mms.2019.126337.

R. Tavcar, J. Bojkovski, S. Begus “Sound-card-based Johnson noise thermometer”, Measurement, vol. 225, no. 114077, pp. 1-6, 2024, DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2023.114077.

A. Ghosh “Generalised energy equipartition in electrical circuits”, Pramana – J. Phys., vol. 97, no. 82, pp.1-6, 2023, DOI: https://doi.org/10.1007/s12043-023-02553-w.

I. S. Virt, I. S. Bilyk, O. A. Parfeniuk, M. I. Ilashchuk “Noise and transport properties of CdTe crystals”, Microsystems, Electronics and Acoustics, vol. 17, no. 4, pp. 5-10, 2012, DOI: https://doi.org/10.20535/2312-1807.2012.17.4.218982.

J. Kim, J. Kim, C. D. de Souza “Discrete time domain analysis of radiation detector noise”, Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A, vol. 1021, no. 165925, pp. 1-14, 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2021.165925.

O. M. Adegoke, I. B. Oluwafemi, O. Akinsanmi “A Time Domain Noise Measurement and Analysis for Broadband Indoor Power Line Communications”, Instrumentation Mesure Metrologie, vol. 19, no. 2, pp. 103-110, 2020, DOI: https://doi.org/10.18280/i2m.190204.

Z. Sita, V. Sedlakova, J. Majzner, P. Sedlak, J. Sikula , L. Grmela “Analysis of noise and non-inearity of I-V characteristics of positive temperature coefficient chip thermistors”, Metrol. Meas. Syst., vol. 20, no. 4, pp. 635–644, 2013, DOI: https://doi.org/10.2478/mms-2013-0054.

G. T. Seidler and S. A. Solin “Non-Gaussian 1/f noise: Experimental optimization and separation of high-order amplitude and phase correlations”, Physical Review B, vol. 53, no. 15, pp. 9753- 9759, 1996, DOI: https://doi.org/10.1063/1.2759716.

K. Mleczko, Z. Zawislak, A.W. Stadler, A. Kolek, A. Dziedzic, J. Cichosz “Evaluation of conductive-to-resistive layers interaction in thick-film resistors”, Microelectronics Reliability, vol. 48, no. 6, pp. 881–885, 2008, DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2008.03.012.

A. W. Stadler “Noise properties of thick-film resistors in extended temperature range”, Microelectronics Reliability, vol. 51, no. 7, pp. 1264-1270, 2011, DOI: https://doi.org/10.1016/j.microrel.2011.02.023.

Z. Balogh, G. Mezei, L. Pósa, B. Santa, A. Magyarkuti and A. Halbritter “1/f noise spectroscopy and noise tailoring of nanoelectronic devices”, Nano Futures, vol. 5, no. 4, р.1-11, 2021, DOI: https://doi.org/10.1088/2399-1984/ac14c8.

E. J. McDowell, X. Cui, Z. Yaqoob, and C. Yang “A generalized noise variance analysis model and its application to the characterization of 1/f noise”, Optics Express, vol. 15, no. 7, pp. 3833-3848, 2007, DOI: https://doi.org/10.1364/oe.15.003833.

S. Demolder, M. Vandendriessche, and A. Van Calster “The measuring of l/f noise of thick and thin film resistors”, Journal of Physics E Scientific Instruments, vol. 13, no. 12, pp. 1323-1327, 2000, DOI: https://doi.org/10.1088/0022-3735/13/12/024.

B. Stawarz−Graczyk, A. Szewczyk, and A. Konczakowska “Identification of inherent noise components of semiconductor devices on an example of optocouplers”, Opto−Electronics Review, vol. 17, no. 3, pp. 236–241, 2009, DOI: https://doi.org/10.2478/s11772-008-0073-5.

P. Sakalas, A. Šimukovič, S. Piotrowicz, O. Jardel, S. L. Delage, A. Mukherjee, A. Matulionis “Compact modelling of InAlN/GaN HEMT for low noise applications”, Semicond. Sci. Technol., vol. 29, no. 9, pp. 1- 8, 2014, DOI: https://doi.org/10.1088/0268-1242/29/9/095014.

M. S. Priyadarshini, M. Bajaj, L. Prokop, M. Berhanu “Perception of power quality disturbances using Fourier, Short Time Fourier, continuous and discrete wavelet transforms”, Scientifc Reports, vol. 14, no.1, pp. 1-40, 2024, DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-53792-9.

Y. Tong, L. Wang, W.-Z. Zhang, M.-D. Zhu, X. Qin, M. Jiang, X. Rong, and J. Du “A high performance fast-Fourier-transform spectrum analyzer for measuring spin noise spectrums”, Chin. Phys. B, vol. 29, no. 9, рp. 1-8, 2020, DOI: https://doi.org/10.1088/1674-1056/ab9c04.

K. R. Rao, D. N. Kim, J. J. Hwang “Fast Fourier Transform: Algorithms and Applications”, Springer Dordrecht Heidelberg, London New York Library of Congress # Springer Science, 2010, DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6629-0.

U. Meyer-Base, H. Natarajan, A. G. Dempster “Fast Discrete Fourier Transform Computations Using the Reduced Adder Graph Technique”, Eurasip Journal on Advances in Signal Processing, vol. ID 67360, pp. 1-8, 2007, DOI: https://doi.org/10.1155/2007/67360.

K. Sozanski “Overview of Signal Processing Problems in Power Electronic Control Circuits”, Energies, vol. 16, no. 4774. рp.1-26, 2023, DOI: https://doi.org/10.3390/en16124774.

E. Serrano-Finetti, O. Casas, R. P. Areny “Common mode electronic noise in differential circuits”, Measurement, vol. 140, no.7, pp. 207-214, 2019, DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.04.028.

P. Ashdhir, J. Arya, C. E. Rani and A. Eur “Exploring the fundamentals of fast Fourier transform technique and its elementary applications in physics”, J. Phys., vol. 42, no. 065805, pp. 1- 28, 2021, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6404/ac20ad.

M. A. Ogunlade, S. L. Gbadamosi, I. E. Owolabi, N. I. Nwulu “Noise Measurement, Characterization, and Modeling for Broadband Indoor Power Communication System: A Comprehensive Survey “, Energies, vol. 16, no. 1535, 2023, pp. 1-26, DOI: https://doi.org/10.3390/en16031535.

I. Stanimirovic, M. M. Jevtic, Z. Stanimirovic “High-voltage pulse stressing of thick-film resistors and noise”, Microelectronics Reliability, vol. 38, no. 10, pp. 1569-1576, 1998, DOI: https://doi.org/10.1016/S0026-2714(98)00032-8.

I. Mrak, M. Jevtic, and Z. Stanimirovic, “Low-frequency noise in thick-film structures caused by traps in glass barriers”, in 1997 21st International Conference on Microelectronics. Proceedings, Nis, Yugoslavia, 1997, pp. 413–416., DOI: https://doi.org/10.1109/ICMEL.1997.625281.

L. K. J. Vandamme, A. J. Van Kemenade “Resistance noise measurement: A better diagnostic tool to detect stress and current induced degradation”, Microelectronics Reliability, vol. 37, no. 1, pp. 87-93, 1997, DOI: https://doi.org/10.1016/0026-2714(96)00241-7.

T.-Y. Lin, R.J. Green, P.B. O’Connor “A low noise single-transistor transimpedance preamplifier for Fourier-transform mass spectrometry using a T feedback network”, Rev. Sci. Instrum. vol. 83, no. 094102, pp. 1-7, 2012, DOI: https://doi.org/10.1063/1.4751851