全差分放大電路在測(cè)試中的應(yīng)用

貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司 夏自金

差分放大器不僅具有放大信號(hào)的作用，還可以增強(qiáng)器件的驅(qū)動(dòng)能力，帶載能力，將被測(cè)器件的真實(shí)結(jié)果展現(xiàn)出來(lái)。基于差分放大器的原理，設(shè)計(jì)全差分放大電路，通過(guò)電路仿真，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，將電路應(yīng)用到測(cè)試電路中，可以實(shí)現(xiàn)精密參數(shù)的測(cè)試。

差分放大電路在主要是將較高精度的電壓與精密基準(zhǔn)電壓進(jìn)行作差放大，達(dá)到高精度產(chǎn)品的測(cè)試。這種技術(shù)的靈活性很高，可以將對(duì)電壓進(jìn)行抵消，使電壓精度達(dá)到百萬(wàn)分之一，為測(cè)試帶來(lái)便利，同時(shí)，提高測(cè)試篩選的有效性、可靠性，降低產(chǎn)品測(cè)試的誤判率。

國(guó)產(chǎn)測(cè)試設(shè)備的精度遠(yuǎn)不及國(guó)外設(shè)備，現(xiàn)在國(guó)外許多設(shè)備開(kāi)始禁運(yùn)，國(guó)產(chǎn)測(cè)試設(shè)備發(fā)展進(jìn)度跟不上產(chǎn)品發(fā)展速度，因此，需要外圍測(cè)試電路的設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)測(cè)試設(shè)備精度不足問(wèn)題。我國(guó)芯片設(shè)計(jì)能力越來(lái)越強(qiáng)，航天、航空等電子元器件需求量也隨之增大。其中精密電壓基準(zhǔn)的使用尤為廣泛，基本上所有裝機(jī)模塊上都有電壓基準(zhǔn)，如何驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)芯片的符合性，變得越來(lái)越重要。其中，元器件的測(cè)試尤為重要，起到?jīng)Q定性作用，因此，不但是設(shè)備的精度要求越來(lái)越高，測(cè)試開(kāi)發(fā)及外圍測(cè)試電路的設(shè)計(jì)也會(huì)變得很重要。在這種情勢(shì)下，外圍測(cè)試設(shè)計(jì)更是重中之重。

1 電路設(shè)計(jì)

目前行業(yè)精密電壓基準(zhǔn)的測(cè)試采用設(shè)備直連的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試原理簡(jiǎn)單易懂，不需要外圍電路搭建，直接連接測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，這種方式可以剔除部分失效嚴(yán)重的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，存在的缺點(diǎn)是電壓精度太高，設(shè)備分辨率不足，外圍電路簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備依賴(lài)性過(guò)高，容易造成誤判，因此需要重新設(shè)計(jì)外圍測(cè)試電路，設(shè)備將只作為源、表使用，主要靠外圍電路實(shí)現(xiàn)電參數(shù)測(cè)試。為此，考量測(cè)試設(shè)備精度以后，分析原來(lái)測(cè)試電路（如圖1所示），進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試電路設(shè)計(jì)，引入差分放大電路，采用高精度器件OPA189或OP77作為放大器件，其失調(diào)電壓僅5μV，可以忽略對(duì)測(cè)試的影響，測(cè)試電路圖如圖2所示。

圖1 原精密電壓基準(zhǔn)測(cè)試

圖2 差分電路在精密電壓基準(zhǔn)測(cè)試中的應(yīng)用

相比原先的測(cè)試電路，增加基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，在被測(cè)器件輸出級(jí)增加OPA189（OP77）作為buff，提高器件驅(qū)動(dòng)能力，最后增加OPA189（OP77）作為全差分放大電路，將被測(cè)器件與參考電壓進(jìn)行作差放大，提高測(cè)試可靠性。AD584型精密電壓基準(zhǔn)是市場(chǎng)需求量較大產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于測(cè)試剔除產(chǎn)品較多，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)核實(shí)，大部分產(chǎn)品為測(cè)試誤判，原因是設(shè)備精度下降，測(cè)試簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性不好，造成誤判。因此進(jìn)行了測(cè)試設(shè)計(jì)，在測(cè)試電路的引進(jìn)參考電壓，差分放大電路等技術(shù)，解決許多因測(cè)試機(jī)臺(tái)誤差引起的電壓精度不足問(wèn)題。

2 電路仿真

測(cè)試設(shè)備的低壓測(cè)試精度為4mV，而在10V輸出的情況下，測(cè)試設(shè)備的分辨率是10mV，即10±0.01V，而精密電壓基準(zhǔn)的測(cè)試精度10±0.005V，因此設(shè)備很容易誤判，造成器件不合格剔除。因此，采用全差分放大電路的方式，將測(cè)試結(jié)果與參考電壓進(jìn)行作差再放大，達(dá)到提高測(cè)試精度的需求。

通過(guò)電路仿真可以得出，器件直接測(cè)試時(shí)，輸出為10.0V，如圖3所示，而查閱器件手冊(cè)，器件的精度為±5mV，因設(shè)備精度不足，測(cè)試不出器件的真實(shí)值。如圖4所示。

圖3 器件直接測(cè)試仿真結(jié)果

圖4 器件手冊(cè)

通過(guò)全差分電路的應(yīng)用，被測(cè)器件輸出值進(jìn)行差分放大處理，最終測(cè)試值為38mV，放大倍數(shù)為100倍，因此器件的實(shí)際精度為0.38mV，輸出真實(shí)值為10.00038V，如圖5所示，如此可以減弱設(shè)備精度帶來(lái)的誤差影響。

圖5 采用全差分放大電路仿真結(jié)果

3 實(shí)際應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)差分放大原理，進(jìn)行全差分放大，采集測(cè)試數(shù)據(jù)，因此，具體實(shí)施如下：

在線(xiàn)生產(chǎn)中隨機(jī)抽取的5只AD584作為測(cè)試樣本，在原來(lái)的測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試分析，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果分析，其中3#和5#樣管產(chǎn)品超差，不符合電參數(shù)要求，但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品為合格，屬于誤判。

重新設(shè)計(jì)的電路測(cè)試，再用同樣的樣品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試如表2所示。

表1 AD584常溫測(cè)試數(shù)據(jù)

圖6 差分放大器

表2 AD584常溫測(cè)試數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)上表測(cè)試結(jié)果顯示，其中3#和5#的樣品在新測(cè)試電路下測(cè)試為合格產(chǎn)品，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，降低失效率，降低生產(chǎn)成本。差分放大器如圖6所示。

結(jié)束語(yǔ)：采用差分放大電路來(lái)對(duì)精密電壓基準(zhǔn)的高精度電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，使測(cè)試電路、測(cè)試參數(shù)得到控制，提高產(chǎn)品的可靠性，因測(cè)試電路的改變，可以將0.38mV的誤差精度測(cè)試出來(lái)，達(dá)到被測(cè)器件真實(shí)值的測(cè)試效果，差分放大電路測(cè)試的引入，可以對(duì)同類(lèi)產(chǎn)品的測(cè)試及下一代產(chǎn)品的測(cè)試具有重要指導(dǎo)意義。