基于脈沖IV測試的電流檢測電路設計

王俊生，栗永強，王安意，黃從開，劉振洗

基于脈沖IV測試的電流檢測電路設計

王俊生，栗永強，王安意，黃從開，劉振洗

（中國電子科技集團公司 第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

針對傳統電流檢測方法的不足，設計了一種多運放差分測量電路，該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比以及穩定的頻率特性，實現了脈沖電流的快速檢測，并且具有較高的電流測量精度。

IV測試；脈沖；電流檢測；差分測量

1 引言

在許多測量應用中，不僅要得到半導體器件的DC電流-DC電壓（IV）特性，還需要進行精確的脈沖IV測量[1-2]。脈沖IV測量是一項評估半導體器件性能的測試技術，它在規定的時間點對被測半導體器件施加脈沖電壓偏置，同時進行電流測量，通過施加幅度連續變化的電平脈沖，得到實際的IV曲線。

原有的脈沖IV測量方案通常由多臺儀器，如任意波形發生器和示波器等組成，因此測量結果難以穩定，系統存在較大誤差[3]。為獲得穩定一致的測量結果，針對傳統電流檢測方法的不足[4]，本文將任意波形發生和電壓電流測量結合在一起，形成完整的脈沖IV測試系統，采用多運放差分測量技術，設計了一種基于脈沖IV測試的電流檢測電路。該電路可以實現脈沖電流的快速檢測，具有高輸入阻抗、高共模抑制比以及穩定的頻率特性，可以有效抑制脈沖波形的過沖和失真，提高了測量精度。

2 脈沖IV測試方案

圖1 脈沖IV測試模塊原理框圖

脈沖IV測試方案的原理框圖如圖1所示，主要由CPU、FPGA、D/A轉換電路、A/D轉換電路和電壓電流取樣電路等組成。波形在經過高速差分D/A轉換器和后端信號處理電路后，由外部端口加到負載端。然后由電壓與電流取樣電路對加到負載端的電壓或電流進行取樣，經過信號處理電路后，由FPGA控制高速A/D轉換器進行數據采集，并將數據存儲到采集存儲器中。最后由主CPU對采集存儲器的數據進行處理。

3 脈沖電流檢測電路設計

3.1 取樣控制電路模塊設計

取樣控制電路是將波形發生和波形測量兩部分功能關聯起來，實現電壓與電流信號的取樣、工作模式和測量檔位的控制以及波形監測和模塊輸出等功能。取樣控制電路原理如圖2所示。

圖2 取樣控制電路原理框圖

如圖2所示，CPLD邏輯電路控制工作模式和測量檔位的選擇。波形在經過信號預處理后，加到待測負載端，然后根據用戶的設置進行電壓或電流信號的取樣，最后經過信號后處理后，送入ADC處理電路進行數據采集。同時，可以通過外部端口對取樣信號進行監測。

3.2 脈沖電流檢測電路設計

取樣控制電路模塊中，脈沖電流檢測電路的設計是關鍵。現有的電流檢測方法一般采用電流取樣法，即通過特制的精密取樣電阻，將電流信號轉變成電壓取樣信號，電壓取樣信號和基準電壓進行比較運算，通過運算放大器進行反饋控制，從而實現電流檢測功能。隨著檢測電流的減小，運算放大器的輸入阻抗的影響，對被檢測電流的影響就會增大，電流測量精度隨之變差。

本文采用基于三級運放結構的電流檢測電路，電路圖如圖3所示。輸入級利用FET輸入運放，配合光耦和高精密電阻，將待測電流信號進行I-V轉換；中間級采用具有對稱形式的精密比例運算電路，進一步提高輸入阻抗；輸出級進行差分運算放大，差分運算放大后的電壓值進入脈沖電壓電流測量電路。

圖3 電流檢測電路

進行電流測量時，電壓波形和待測負載分別接到前置差分放大器D2的同相輸入端和反相輸入端，待測電流信號經負載輸入到差分放大器的反相輸入端。前置放大器D2采用FET輸入型運算放大器，具有很高的輸入阻抗，有效降低了輸入偏置電流，使流過負載電阻的電流信號幾乎完全通過取樣電阻，流過放大器內阻的電流大小幾乎為零，有效地提高了運算放大器檢測電流信號的靈敏度。同時，在差分放大器的反相輸入端對電流進行取樣，將電流信號進行I-V轉換。

轉換后的電壓信號送入兩組具有對稱同相輸入形式的精密比例運算電路。集成運放D3和D4都接成比例運算電路形式，構成中級放大器，可實現較大增益的信號跟隨，同時進一步提高電路輸入阻抗。取樣電阻R21、R26、R27、R30、R33、R34均采用高精密電阻，可以降低漂移、噪聲、失調電壓及失調電流等，提高電路的測量精度。

信號輸入到后置差分放大器D5，采取多運放差分放大檢測技術，進行差分運算處理，有效解決了有用信號微弱而共模干擾相對較高的矛盾，實現了檢測電路的高增益、高輸入電阻和高共模抑制比，提高了測量靈敏度。

根據運放的虛短和虛斷原理[5]，待測電流x為x=-o/x，其中o為輸出電壓，x為取樣電阻。由此可見，待測電流x與輸出電壓o和取樣電阻x成比例關系，與負載的大小無關。

4 測試結果

利用本文所述的脈沖IV測試系統產生自定義脈沖波形，其幅度分別為1 V、2 V和3 V，循環次數分別為2次、2次和3次，使用示波器檢測輸出波形如圖4所示。

圖4 自定義脈沖波形

模塊輸出端分別接入1 MΩ、100 kΩ、10 kΩ、1 kΩ及100Ω的固定負載，使用該電路測得的電壓及電流結果如表1所示。測試結果表明，該電路可以實現脈沖電流的快速檢測，且具有較高的電壓電流測量精度。

表1 電壓電流測試性能

5 結論

本文提出了一種新的脈沖IV測試方案，設計了一種基于脈沖IV測試的電流檢測電路，該電路采取多運放差分放大檢測技術，輸入級進行電流信號的取樣，中間級實現較大增益的信號跟隨，輸出級進行信號的差分運算。該電路可以有效抑制脈沖波形的過沖和失真，解決了有用信號微弱而共模干擾相對較高的矛盾，實現了高速脈沖電流信號的取樣。

[1] 陳芳.基于模擬IC測試的任意波形發生器設計與實現[J].電子設計工程,2014,22(6):85-88.

[2] 李潔,劉沖.功率半導體器件間隔脈沖IV測試方法研究[J].裝備制造技術,2015,9(4):204-208.

[3] 唐勇.電流檢測技術的研究與設計[D].成都:西南交通大學,2007:9-12.

[4] 劉軍.大功率模擬集成電路直流參數測試研究與實現[D].成都:電子科技大學,2010:2-5.

[5] 郭業才,黃友銳.模擬電子技術[M].北京:清華大學出版社, 2018:146-180.

Design of the Current Detection Circuit Based on Pulse IV Test

WANG Jun-sheng, LI Yong-qiang, WANG An-yi, HUANG Cong-kai, LIU Zhen-xi

(The 41st Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Bengbu 233010, China)

In view of the shortcomings of traditional current detection methods, the differential measurement circuit of multiple operational amplifiers is designed in this paper. The circuit has high input impedance, super high CMRR and stable frequency characteristics. The fast detection of pulsating current is realized with high accuracy of current measurement in this circuit.

IV test; pulse; current detection; differential measurement

TH86

A

1009-9115(2022)03-0041-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2022.03.012

2021-11-03

2022-01-09

王俊生（1986-），男，安徽廬江人，碩士，工程師，研究方向為電子測量儀器。

（責任編輯、校對：侯 宇）