快速稳定的微微安培计电路原理及设计

快速稳定的微微安培计电路原理及设计

对模拟开关、多路复用器、运算放大器和其它IC的评估是对IC测试工程师提出的挑战。典型的测试需要把测试电压或强制电压施加到器件的输入端，并测量导致的任何泄漏电流和偏移电流，这经常是在1pA或更低的级别进行的。图1、图2、图3 中的低功耗测量电路与缓慢而昂贵的商品化自动测试仪形成了鲜明对比，这种电路能强制很宽的测试电压范围并提供快速稳定，使器件测试吞吐速度达到最高。表面贴装元件的广泛使用使它的印制电路板空间要求降到了最低，并使多个测量电路的封装能靠近测试夹具。

　　该电路包含强制电压缓冲器/放大器、浮动轨电源、IVC（电流至电压转换器）。向待测器件施加强制电压会引发泄漏电流，电路把该泄漏电流转换成与它成比例的输出电压。在常规IVC中，待测电流在分流电阻器两端形成电压。IVC使用一种反馈安培计拓扑，其中的运算放大器IC₁是Analog Devices 公司的 AD795，它把未知电流从反馈电流中减去，并提供与未知电流成比例的输出电压（图1）。

　　在该设计中，输入端的直流电阻主要包含R₂和IC₁的有效输入电阻，在直流电下略大于100Ω。在电源线路的50Hz ~ 300Hz范围的频率下，电路的交流阻抗平均值约为10 kΩ，即典型分流电阻IVC的输入电阻（约为10MΩ）的千分之一。电路的 100MΩ反馈电阻器R₁提供的电流至电压转换比率是分流转换比率的10倍。该设计的稳定速度比分流转换器快得多，并且能在电源线路频率下提供良好的干扰抑制。在测试运算放大器的输入电流时，它还减弱了不需要的分压效应。

　　R₁产生的电流至电压转换比率为 100mV/pA。放大器IC₂是 AD795，提供大小为10的额外电压增益，从而把比率提高到1mV/pA，并减小了差分放大器IC₃的CMRR（共模抑制比）引入的误差影响。差分放大器IC₃是OP1177，把强制电压从IVC的输出电压中减去，并提供接地参考输出信号。

　　一对背对背的BAV199二极管D_1A和D_1B把高电流分流到强制电压放大器 IC₄及其保护性保险丝F₁，由此保护IC₁不受电压过载的损害。当强制电压迅速从一个值转换到另一个值时，这些二极管在高转换率间隔期间提供高驱动电流，由此极大改善 IVC 的稳定时间。

　　一个得到轻微补偿、增益为3的高压OPA551放大器IC₄依靠±30V电源工作，从普通的±7V ATE（自动测试设备）电压获得高达±22V 的强制电压（图2）。如果待测器件发生灾难性的短路，则保险丝F₁会限制来自IC₄（它可能带来高达380mA的短路电流）的故障电流，由此防止进一步的损害。

　　IC₄的输出还驱动稳压电路，后者产生±5V浮动电源电压，该电压参考测试输入强制电压（图3）。使用±30V电源时，电路的这部分消耗的功率低于100mW。Vishay/Siliconix SST505 JFET恒流稳压“二极管”Q₁和Q₄提供1mA恒流源，并由晶体管Q₂和Q₃缓冲。每个稳流二极管都承载45V最大额定电压，并且这些缓冲器把施加到二极管的电压限制在大约3V，由此提供过压保护。

　　把1mA电流施加到电阻器R₅和R₆上，形成±5V线路电压。二极管D₂和D₃补偿射极跟随器Q_6B和Q_7B的基极-射极电压降。在有缺陷的待测器件把它的电源短路接到IVC的输入节点时，晶体管Q_6A和Q_7A提供过压保护。晶体管Q₅和Q₈使电流二极管分流，由此限制浮动电源的输出电流。在异常的启动期间，二极管D₄提供针对浮动电源线路的极性逆变的保护。

　　在工作时，该电路在±4nA满刻度输入范围内，在1GΩ有效跨阻时，提供0.999V/nA输出。电路的输出偏移对应于大约143fA。超出±22V的强制电压范围时，浮动电源线路电压开始饱和，IC₃的输入CMRR限制变得明显，并且IVC的输出电压变为非线性。图4表明：在±20V强制电压范围内，电路来自其无负载输出端的电流测量误差为-31 fA/V。由IC₃、R_N2和R_N3组成的差分放大器实现了电路的大部分增益，并且IC₁的低输入偏置电流有助于实现很低的偏移误差。±20V强制电压范围内的输出线性的平均值为111 fA p-p。

　　电路的转换率能力会有相当大的变化，但一般而言，在D₁驱动待测器件时，输出都会如实地在100ms或更短时间内转换整个40V强制电压。一旦高转换周期完毕，IVC就不再饱和，并且它的输出变成指数式电压，时间常数为1ms。输出在大约10.6ms内稳定到100fA。在无负载状况下，电路消耗大约10.2mA（±30V 电源时）或400mA（±15V电源时）。原型电路的布局在单面印制电路板上占用大约1.5平方英寸，并且如果在双面板的两侧都放置元件，则可将面积减小到1平方英寸。为了达到最佳性能，布局必须在输入端子以及所有连接到IC₁的2号引脚的迹线周围设置防护环。电路的尺寸使它能被放置在待测器件夹具上，使引线长度缩到最短，并使电源线引发的电磁干扰减小到最低。该电路能测量仅1pA的电流，但它可通过减小R₁的值来适应大的电流。