一種高精度電壓基準(zhǔn)源的測(cè)試方法

姜吉　張文輝

摘 要：本文介紹了高精度電壓基準(zhǔn)源的基本原理，設(shè)計(jì)一種在元器件篩選中對(duì)高精度電壓基準(zhǔn)源的測(cè)試方法，對(duì)高精度電壓基準(zhǔn)源的輸出電壓、穩(wěn)定度參數(shù)等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果滿足技術(shù)精度要求。

關(guān)鍵詞：高精度電壓基準(zhǔn)；測(cè)試；穩(wěn)定度

中圖分類號(hào)：TN432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0080-03

0 引言

基準(zhǔn)電壓源或電壓基準(zhǔn)（Voltage Reference）通常指的是在電路中用作電壓基準(zhǔn)的高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)源。隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，尤其是系統(tǒng)集成技術(shù)（SOC、VLSI）的發(fā)展，電壓基準(zhǔn)源成為了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和幾乎所有數(shù)字模擬系統(tǒng)中不可缺少的基本電路組成部分。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、線性穩(wěn)壓器等很多集成電路和單元中，都需要高精度而又輸出很穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)。比如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，DC電壓基準(zhǔn)與模擬輸入信號(hào)一起用于數(shù)字化輸出信號(hào)的產(chǎn)生；在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，DAC根據(jù)輸入端上的數(shù)字輸入信號(hào)，從DC基準(zhǔn)電壓中選擇和產(chǎn)生模擬輸出；在精密測(cè)量?jī)x器儀表和應(yīng)用數(shù)字通信系統(tǒng)中通常將電壓基準(zhǔn)源用系統(tǒng)測(cè)量和校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。

二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，基于MOS晶體管的基本理論和制造技術(shù)的深入研究、電路設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的進(jìn)步，MOS模擬集成電路得到了高速發(fā)展。CMOS集成電路由于其工藝簡(jiǎn)單、器件面積小、集成度高和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已經(jīng)成為了數(shù)字集成電路產(chǎn)品的主流。在這樣的背景下，由于低成本、高性能，基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝的各種高精度模擬集成電路產(chǎn)品備受人們關(guān)注，并很快成長(zhǎng)為集成電路技術(shù)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。而各種高精度電壓基準(zhǔn)源由于數(shù)字模擬系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，更加具有廣闊的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景。

目前很多設(shè)備可以進(jìn)行電壓基準(zhǔn)源測(cè)試，但是由于精度不夠，測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)偏離較大，無(wú)法判斷結(jié)果數(shù)據(jù)的可靠性?，F(xiàn)在大多測(cè)試設(shè)備都采用激勵(lì)-響應(yīng)測(cè)試方法，在測(cè)試過(guò)程中通過(guò)搭建外圍電路聯(lián)通測(cè)試設(shè)備和被測(cè)元器件，進(jìn)行測(cè)試，但該過(guò)程引入了額外的輸入阻抗和輸出阻抗，使元器件輸入端和輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓差，從而影響元器件的測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，尤其是在高精度電壓基準(zhǔn)源測(cè)試過(guò)程中。本文根據(jù)設(shè)備資源的合理利用，引入精度高的外接萬(wàn)用表（Keithley 2000），采用開(kāi)爾文測(cè)試方法，精準(zhǔn)地測(cè)試高精度電壓基準(zhǔn)源。該測(cè)試方法保證了檢測(cè)方法的科學(xué)規(guī)范，器件參數(shù)測(cè)試的準(zhǔn)確可靠，保障了型號(hào)產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 研究?jī)?nèi)容

根據(jù)高精度電壓基準(zhǔn)源的特點(diǎn)及技術(shù)要求，利用現(xiàn)有技術(shù)手段、相關(guān)測(cè)試設(shè)備及積累的測(cè)試方法和經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)展對(duì)該器件的測(cè)試研究。研制出測(cè)試速度快、精度高、性能可靠的高精度電壓基準(zhǔn)源測(cè)試方法，以滿足型號(hào)用高精度電壓基準(zhǔn)源可靠性檢測(cè)篩選的需求。如圖1所示。

2 四線開(kāi)爾文測(cè)試方法

STS 8000系列測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試原理符合國(guó)標(biāo)、軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是目前很多電子整機(jī)院所、企業(yè)、檢測(cè)認(rèn)證中心等單位的理想檢測(cè)設(shè)備。該系統(tǒng)具使用簡(jiǎn)單可靠的實(shí)用特點(diǎn)，提供了填表式的PGS編程方式和開(kāi)放式的C語(yǔ)言的編程環(huán)境，硬件系統(tǒng)兼容STS 8000系列模塊，可根據(jù)需求進(jìn)行選配和擴(kuò)展。設(shè)備測(cè)試框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用獨(dú)特的四線開(kāi)爾文測(cè)試原理，并通過(guò)開(kāi)放的底層C語(yǔ)言控制各個(gè)硬件模塊和外接萬(wàn)用表，完成高精度電壓基準(zhǔn)源的測(cè)試。系統(tǒng)的積分式V/I源主要由NULL放大器、積分放大器、功率放大器及相關(guān)外圍線路構(gòu)成，三級(jí)放大器均為反相放大器，構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋的閉環(huán)環(huán)境。其原理框圖如圖3所示。

從原理圖中可以看出輸出端的電流采樣差分放大器用于采集V/I源的輸出電流，用于反饋（恒流）和測(cè)量（測(cè)流），電流差分放大器的一個(gè)輸入端是V/I源的輸出端（FORCE端），電壓緩沖器（跟隨器）用于采集V/I源的輸出電壓（SENSE端），且二者都具有很高的輸入阻抗，從而保證V/I源的小電流測(cè)量及恒流精度。輸出控制線路用于接通和斷開(kāi)功率運(yùn)放的輸出，為保證用戶端的電壓精度，輸出采用四線開(kāi)爾文線路，即輸出線分為FORCE線和SENSE線，兩條線同時(shí)接通和斷開(kāi)。FORCE線和SENSE線之間接入雙向二極管，使兩線之間保持相同的電位，從而使得V/I源輸出端斷開(kāi)時(shí)閉環(huán)環(huán)路不至于開(kāi)環(huán)，保證環(huán)路一直保持閉合狀態(tài)。

FORCE線用于電流的輸入和輸出，只有FORCE線中會(huì)流過(guò)負(fù)載電流Iload，SENSE線用于電壓的反饋和測(cè)量，其輸入端接有高阻抗輸入的緩沖器，因此SENSE線中不會(huì)有電流流過(guò)，即便有附加電阻也不會(huì)產(chǎn)生附加的電壓降。FORCE線中的附加電阻雖然在電流下會(huì)產(chǎn)生附加的電壓降，但是由于SENSE線獨(dú)立接到負(fù)載兩端，很有效地除掉了FORCE線中附加電阻和電壓降的作用，從而保證負(fù)載兩端的電壓的驅(qū)動(dòng)和測(cè)量精度。V/I源四線開(kāi)爾文測(cè)試的示意圖如圖4、圖5所示。

非浮動(dòng)V/I源與浮動(dòng)V/I源的差別就在于非浮動(dòng)V/I源沒(méi)有FORCE L和SENSE L，但是AGND和DGS（Device Ground Sense）所起到的作用是完全一樣的，只是在系統(tǒng)中多路V/I源共用了同一組AGND和DGS，因此從四線開(kāi)爾文測(cè)試的角度講，在實(shí)際測(cè)試電路中，非浮動(dòng)V/I源與浮動(dòng)V/I源兩者可以達(dá)到相同的測(cè)試結(jié)果。

3 底層程序控制

根據(jù)高精度電壓基準(zhǔn)源AD688BQ的技術(shù)手冊(cè)，負(fù)載調(diào)整率要達(dá)到50uV/mA，所以外接萬(wàn)用表選用的是美國(guó)吉時(shí)利高性能的六位半Keithley 2000數(shù)字多用表，直流電壓的精度為0.1uV，滿足測(cè)試的要求。

根據(jù)設(shè)備資源設(shè)計(jì)制作了相關(guān)的外圍電路（測(cè)試適配器），外接萬(wàn)用表原理圖如圖6所示，V/I源PVI3和PVI1分別給器件施加+15V和-15V電壓，V/I源PVI0給器件加負(fù)載電流，同時(shí)區(qū)分V/I源的force線和sense線，在精度要求比較高的電路中要盡量減少壓降對(duì)測(cè)試的影響，兩路輸出通過(guò)OUT1和OUT2外接選通萬(wàn)用表上。測(cè)試夾具兩邊的電容可以穩(wěn)定電壓和去噪，而且在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，電容要越靠近測(cè)試夾具越好。

在測(cè)試過(guò)程中測(cè)試設(shè)備通過(guò)RS232與外接萬(wàn)用表進(jìn)行串口通信，底層測(cè)試程序控制外接萬(wàn)用表的量程設(shè)置和測(cè)試過(guò)程，當(dāng)測(cè)試一旦下發(fā)，各源表進(jìn)行初始化，準(zhǔn)備就緒，并按指令依次完成模式設(shè)置、輸出、測(cè)量等工作，將測(cè)試結(jié)果通過(guò)軟件進(jìn)行反饋和通信，顯示在電腦屏幕上。

在測(cè)試程序中切換繼電器K22接通萬(wàn)用表，直接測(cè)量輸出端電壓，對(duì)于精度要求更加高的電壓基準(zhǔn)AD688BQ，切換繼電器K20，選通放大器電路，將被測(cè)器件的輸出放大適當(dāng)?shù)谋稊?shù)后再進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試部分的C語(yǔ)言程序?yàn)椋?/p>

cbit.SetCBITOn（K30）；

cbit.SetCBITOn（K22）； //接通萬(wàn)用表

g_pMMSCPI->SetDCVoltage（DC_RANG_100V）；//對(duì)外接萬(wàn)用表測(cè)試量程進(jìn)行設(shè)置

pvi3.SetModeFVMI（PVI_VRNG_20V， Vin2， PVI_IRNG_100MA， 50e-3， -50e-3）；

pvi1.SetModeFVMI（PVI_VRNG_20V， Vin1， PVI_IRNG_100MA， 50e-3， -50e-3）；//電源

pvi3.Enable（）；

pvi1.Enable（）；

delay_ms（10）；

g_pMMSCPI->GetMMResult（&val1;[0]）；//測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)傳回，存在數(shù)組中

cbit.SetCBITOff（K30）；

cbit.SetCBITOn（K29）；//切換繼電器，對(duì)第二路輸出進(jìn)行測(cè)試

delay_ms（10）；

g_pMMSCPI->GetMMResult（&val2;[0]）； //測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)傳回，存在數(shù)組中

4 效果及其評(píng)價(jià)

高精度電壓基準(zhǔn)源AD688BQ的測(cè)試結(jié)果與產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)指標(biāo)一致。限于篇幅，僅給出同一只器件測(cè)試10次的部分測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表中測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出：電壓基準(zhǔn)源的兩路輸出電壓偏差都小于2mV，保存數(shù)據(jù)精確到0.1mV，數(shù)據(jù)電壓調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率精確到0.1uV，滿足產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)的參數(shù)指標(biāo)要求。數(shù)據(jù)偏離公式：

，為平均值。

第一路輸出測(cè)試值平均值為10.00097，整體測(cè)試數(shù)據(jù)偏離0.000067，第二路輸出測(cè)試值平均值為-9.99937，整體測(cè)試數(shù)據(jù)偏離0.000048，數(shù)據(jù)一致性較好，測(cè)試穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種高精度電壓基準(zhǔn)源測(cè)試方法。該測(cè)試方法充分利用混合集成電路測(cè)試系統(tǒng)V/I源的獨(dú)特設(shè)計(jì)，合理利用四線開(kāi)爾文測(cè)試方法，外接高精度萬(wàn)用表，滿足高精度電壓基準(zhǔn)源測(cè)試的要求。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)表明：該測(cè)試方法可以檢測(cè)高精度電壓基準(zhǔn)源（例如AD688BQ）輸出電壓的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定度，保證此類高精度輸出器件的質(zhì)量，該方法可適用于其他精度要求較高的集成電路的篩選測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

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