低功耗待測器件實(shí)現高精度低電流測量?jì)煞N方式

　　概述

　　由于當今的重點(diǎn)是綠色出行和打造移動(dòng)設備和物聯(lián)網(wǎng)設備，因此實(shí)現集成電路和電子組件功耗最小化已成為器件制造商的夢(mèng)想。功耗最低意味著(zhù)實(shí)現所有集成電路和電子組件的電流消耗最低。為了對這些部件進(jìn)行特性分析，必須測量器電流消耗。過(guò)去，功耗并不是主要問(wèn)題，測量通過(guò)器件的電流非常簡(jiǎn)單，因為電流電平相對較高，為毫安甚至安培級，利用標準多用表即可測量。當今器件工作電流低至微安級甚至更低，因此需要更復雜設備進(jìn)行測量。

　　本文探討了對低功耗待測器件（DUT）進(jìn)行低電流測量的兩種不同方法：一是將電源、高精度數字多用表及待測器件進(jìn)行串聯(lián)，二是使用高精度測量電源。應用筆記詳細介紹了怎樣配置2280S系列高進(jìn)度測量直流電源，實(shí)現高精度低電流測量。

　　將電源與數字多用表進(jìn)行串聯(lián)

　　測量流經(jīng)器件電流的一個(gè)方法是將數字多用表與電路串聯(lián)，并利用它測量電流。使用6位半的高質(zhì)量數字多用表，可以對毫安級電流電平進(jìn)行高精度測量。圖1給出這個(gè)方法的測試設置。

　　圖1. 使用電源與數字多用表串聯(lián)來(lái)測量電流

　　雖然這個(gè)方法能夠對通過(guò)器件的電流進(jìn)行非常準確的測量，但由于特性分析期間數字多用表造成的電壓負荷，該方法也可能帶來(lái)很多問(wèn)題。即使電源輸出端電壓可能處于編程值，但待測器件兩端電壓實(shí)際上低于編程值，因為在數字多用表產(chǎn)生電壓負荷。因此，待測器件兩端電壓不是編程電壓，它等于編程電壓減去數字多用表電壓（VDUT= VSET– VDMM）。如果忽略數字多用表電壓且用戶(hù)假設器件電壓等于編程電壓，那么功率和電阻測量將具有重大誤差，因為用于計算的電壓將高于待測器件電壓值。當在最低工作電壓附近對器件進(jìn)行測試時(shí)，這個(gè)電壓降還可能帶來(lái)問(wèn)題。如果數字多用表的電壓負荷過(guò)大，器件電壓可能低于最低工作電壓，而且器件將無(wú)法正常工作，導致錯誤測量。

　　通過(guò)輸出較高的電源電壓，可以對這個(gè)電壓降進(jìn)行補償，從而為待測器件提供期望的電壓。不過(guò)，數字多用表造成的電壓負荷隨著(zhù)流經(jīng)電流的變化而變化，因此補償非常困難。 可以使用第二部數字多用表直接測量器件電壓，但這將添加新的儀器設備，不僅增加測試系統的成本和復雜度，而且可能給低電流測量帶來(lái)更大誤差源。數字多用表給測試電路帶來(lái)額外負載，致使電流高于實(shí)際流經(jīng)器件的電流。雖然電源與數字多用表串聯(lián)是一種非常簡(jiǎn)單的低電流測量方法，但這絕不是理想方法。

　　使用高精度測量電源

　　如果適用高精度測量電源，可以利用6位半高質(zhì)量數字多用表對通過(guò)器件的電流進(jìn)行測量，但是可以做得更簡(jiǎn)單且更準確。由于測試器件只需要1部?jì)x器，因此測試得以簡(jiǎn)化。圖2給出測試設置。

　　由于只有1部?jì)x器，很快即可開(kāi)始測試，因為需要設置的設備更少。自動(dòng)測量也更簡(jiǎn)單，因為只需對1部?jì)x器進(jìn)行編程。這避免了多部?jì)x器的同步，并允許測試工程師把精力集中于測量。

　　進(jìn)行器件特性分析時(shí)，利用高精度測量電源比利用電源與數字多用表更準確。高精度測量電源能夠測量施加于器件的電流和電壓。電流是內部測量的，因此不會(huì )像串聯(lián)數字多用表那樣給測試電路帶來(lái)電壓負荷。這樣，器件兩端電壓等于編程電壓。要想進(jìn)一步提高準確度，可以利用器件端口的程控檢測引線(xiàn)直接測量電壓，這使得高精度測量電源直接補償為器件供電的測試引線(xiàn)上的電壓降。這些測試引線(xiàn)具有極高的輸入阻抗，因此對測試電路而言，它們實(shí)際上是零負載。利用這些特性，高精度測量電源能夠在任何電流電平對器件進(jìn)行極其精確的特性分析。由于在1部?jì)x器內集成了所有這些能力，因此高精度測量電源可以大幅降低測試系統復雜性和成本。

　　圖2. 利用高精度測量電源進(jìn)行電流測量

　　利用2280S系列高精度測量直流電源對高精密基準電壓源靜態(tài)電流進(jìn)行測量

　　接下來(lái)將介紹怎樣配置2280S系列高精度測量直流電源，在不連接輸出情況下，對高精密基準電壓源電流消耗進(jìn)行測量。在數據表中給出了正在測量的這個(gè)電壓基準的靜態(tài)電流，電流電平典型值僅為31μA，最大值為35μA。為了進(jìn)行這個(gè)測量，將儀器配置為最大精度和準確度。

　　設備

　　高精度測量電源減少對器件進(jìn)行電流測量所需的設備數量。在本例中，使用以下設備：

　　• 吉時(shí)利2280S系列高精度測量直流電源

　　• 測試引線(xiàn)

　　• 高精度基準電壓源

　　進(jìn)行連接

　　圖3和圖4給出這個(gè)測試的連接。

　　圖3. 高精度測量電源與高精度基準電壓源待測器件的測試連接

　　圖4. 2280S系列高精度測量直流電源與基準電壓源待測器件的測試連接

　　測試連接相當簡(jiǎn)單，因為只需將兩根引線(xiàn)（HI和LO）與待測器件連接。高精度電壓測量不需要程控電壓檢測，因為電流極低，不會(huì )在測試引線(xiàn)產(chǎn)生大量電壓降。建議使用屏蔽電纜，以降低噪聲。如果測試電路接地，應當實(shí)現單點(diǎn)接地，以避免接地電流環(huán)路帶來(lái)的測量誤差。

　　配置儀器

　　為了在微安量程進(jìn)行高精度電流測量，必須將2280S系列高精度測量直流電源配置為最高精度。利用該儀器的彩色圖形用戶(hù)界面（圖5），可以快速進(jìn)行儀器設置，而且很容易通過(guò)前面板實(shí)現。為了使低電流測量具有最高精度，通過(guò)前面板進(jìn)行儀器配置的步驟是：

　　對測量設置進(jìn)行配置

　　• 將儀器分辨率設置為6位半（圖6）。

　　• 開(kāi)啟自動(dòng)調零。

　　–自動(dòng)調零將自動(dòng)測量?jì)炔炕鶞?，針對每個(gè)觸發(fā)測量對儀器清零，使測量更準確。

　　• 將NPLC值設置為15 （對于50Hz電源系統，其設置為12），最大測量孔徑時(shí)間。這將提高測量分辨率和精度。

　　對濾波器設置進(jìn)行配置

　　當均值濾波器開(kāi)啟后，儀器將返回某些測量結果平均值讀數。平均值測量使得讀數更穩定，支持更高的精度。濾波器設置（圖7）的配置如下：

　　• 將濾波器狀態(tài)設置為開(kāi)啟。

　　對觸發(fā)器設置進(jìn)行配置

　　• 將樣本計數設置為10，以與濾波器計數匹配（圖8）。這將利用10個(gè)連續讀數填充均值濾波器，讀數之間的時(shí)間很短。

　　• 將濾波器計數改為10。

　　–濾波器計數可以一直增加到100，這樣可使讀數更穩定。

　　對電源延遲進(jìn)行配置

　　對于低電流測量，為了獲得準確的結果，在進(jìn)行測量之前，必須留有一定的時(shí)間，使得測試系統中的電流建立其最終值。通過(guò)設置電源延遲，可以使測量延遲足夠長(cháng)的時(shí)間，確保電流建立。

　　• 設置足夠長(cháng)的電源延遲，確保電流建立時(shí)間（圖9）。雖然對于大多數微安電平測量而言，10ms延遲足夠，但如果待測器件輸入電容較大或者夾具包括外部濾波器電容器，那么可能需要更長(cháng)的電源延遲。

　　通過(guò)這些設置，儀器測量將具有最高精度和最大的返回讀數，其讀數為幾個(gè)高分辨率測量結果的平均值。

　　運行測試

　　將測量設置配置為最高精度后，儀器目前已做好啟動(dòng)測量準備。為了啟動(dòng)測試，首先將輸出電壓（V-Set）設置為待測器件的正常電壓。對于正在進(jìn)行測試的高精度基準電壓源，V-Set設置為3V。接著(zhù)，將電流限幅（I-Limit）設置為足夠低，做到既保護待測器件同時(shí)又使流經(jīng)器件的電流足夠高以使器件工作。對于這個(gè)器件，I-Limit將設置為最低容許值100μA。最后，開(kāi)啟輸出，開(kāi)始進(jìn)行測量。圖10給出儀器前面板的截圖。

　　利用前面介紹的測量設置，2280S系列高精度測量直流電源可以進(jìn)行穩定測量，最低約為100nA(＄0.0581)。圖11給出儀器前面板截圖，說(shuō)明測量多么穩定，從數據軌跡可以看出，讀數之間幾乎波動(dòng)微乎其微。此外，在顯示屏底部給出統計數據，表明峰-峰值極低，讀數的標準偏差很小。

　　實(shí)現低電流測量自動(dòng)化

　　為實(shí)現高精度低電流測量和自動(dòng)收集數據，可對2280S系列高精度測量直流電源的配置，為此，可向儀器發(fā)送以下SCPI指令：

　　結束語(yǔ)

　　利用2280S系列高精度測量電源，設計和測試工程師可以迅速而容易地對器件進(jìn)行高可靠、高質(zhì)量、低電流測量。其易于導航、易于讀數的圖形用戶(hù)界面，只需數秒鐘即可在測試臺完成低電流測量的儀器配置。作為線(xiàn)性電源，其輸出干凈而平靜，實(shí)現信號噪聲最低，確保最高測量精度。測試得以簡(jiǎn)化，因為只需配置1部?jì)x器，而且成本得以降低，因為無(wú)需額外設備。2280S系列高精度測量直流電源的測量能力確實(shí)是革命性的。