能處理寬電壓范圍的微微安培計電路

對模擬開(kāi)關(guān)、多路復用器、運算放大器和其它IC的評估是對IC測試工程師提出的挑戰。典型的測試需要把測試電壓或強制電壓施加到器件的輸入端，并測量導致的任何泄漏電流和偏移電流，這經(jīng)常是在1pA或更低的級別進(jìn)行的。圖1、圖2、圖3 中的低功耗測量電路與緩慢而昂貴的商品化自動(dòng)測試儀形成了鮮明對比，這種電路能強制很寬的測試電壓范圍并提供快速穩定，使器件測試吞吐速度達到最高。表面貼裝元件的廣泛使用使它的印制電路板空間要求降到了最低，并使多個(gè)測量電路的封裝能靠近測試夾具。

　　該電路包含強制電壓緩沖器/放大器、浮動(dòng)軌電源、IVC（電流至電壓轉換器）。向待測器件施加強制電壓會(huì )引發(fā)泄漏電流，電路把該泄漏電流轉換成與它成比例的輸出電壓。在常規IVC中，待測電流在分流電阻器兩端形成電壓。IVC使用一種反饋安培計拓撲，其中的運算放大器IC1是Analog Devices 公司的 AD795，它把未知電流從反饋電流中減去，并提供與未知電流成比例的輸出電壓（圖1）。
　　在該設計中，輸入端的直流電阻主要包含R2和IC1的有效輸入電阻，在直流電下略大于100Ω。在電源線(xiàn)路的50Hz ~ 300Hz范圍的頻率下，

　　電路的交流阻抗平均值約為10 kΩ，即典型分流電阻IVC的輸入電阻（約為10MΩ）的千分之一。電路的 100MΩ反饋電阻器R1提供的電流至電壓轉換比率是分流轉換比率的10倍。該設計的穩定速度比分流轉換器快得多，并且能在電源線(xiàn)路頻率下提供良好的干擾抑制。在測試運算放大器的輸入電流時(shí)，它還減弱了不需要的分壓效應。

　　R1產(chǎn)生的電流至電壓轉換比率為 100mV/pA。放大器IC2是 AD795，提供大小為10的額外電壓增益，從而把比率提高到1mV/pA，并減小了差分放大器IC3的CMRR（共模抑制比）引入的誤差影響。差分放大器IC3是OP1177，把強制電壓從IVC的輸出電壓中減去，并提供接地參考輸出信號。

　　一對背對背的BAV199二極管D1A和D1B把高電流分流到強制電壓放大器 IC4及其保護性保險絲F1，由此保護IC1不受電壓過(guò)載的損害。當強制電壓迅速從一個(gè)值轉換到另一個(gè)值時(shí)，這些二極管在高轉換率間隔期間提供高驅動(dòng)電流，由此極大改善 IVC 的穩定時(shí)間。

　　一個(gè)得到輕微補償、增益為3的高壓OPA551放大器IC4依靠±30V電源工作，從普通的±7V ATE（自動(dòng)測試設備）電壓獲得高達±22V 的強制電壓（圖2）。如果待測器件發(fā)生災難性的短路，則保險絲F1會(huì )限制來(lái)自IC4（它可能帶來(lái)高達380mA的短路電流）的故障電流，由此防止進(jìn)一步的損害。
　　IC4的輸出還驅動(dòng)穩壓電路，后者產(chǎn)生±5V浮動(dòng)電源電壓，該電壓參考測試輸入強制電壓（圖3）。使用±30V電源時(shí)，電路的這部分消耗的功率低于100mW。Vishay/Siliconix SST505 JFET恒流穩壓“二極管”Q1和Q4提供1mA恒流源，并由晶體管Q2和Q3緩沖。每個(gè)穩流二極管都承載45V最大額定電壓，并且這些緩沖器把施加到二極管的電壓限制在大約3V，由此提供過(guò)壓保護。
　　把1mA電流施加到電阻器R5和R6上，形成±5V線(xiàn)路電壓。二極管D2和D3補償射極跟隨器Q6B和Q7B的基極-射極電壓降。在有缺陷的待測器件把它的電源短路接到IVC的輸入節點(diǎn)時(shí)，晶體管Q6A和Q7A提供過(guò)壓保護。晶體管Q5和Q8使電流二極管分流，由此限制浮動(dòng)電源的輸出電流。在異常的啟動(dòng)期間，二極管D4提供針對浮動(dòng)電源線(xiàn)路的極性逆變的保護。

　　在工作時(shí)，該電路在±4nA滿(mǎn)刻度輸入范圍內，在1GΩ有效跨阻時(shí)，提供0.999V/nA輸出。電路的輸出偏移對應于大約143fA。超出±22V的強制電壓范圍時(shí)，浮動(dòng)電源線(xiàn)路電壓開(kāi)始飽和，IC3的輸入CMRR限制變得明顯，并且IVC的輸出電壓變?yōu)榉蔷€(xiàn)性。圖4表明：在±20V強制電壓范圍內，電路來(lái)自其無(wú)負載輸出端的電流測量誤差為-31 fA/V。由IC3、RN2和RN3組成的差分放大器實(shí)現了電路的大部分增益，并且IC1的低輸入偏置電流有助于實(shí)現很低的偏移誤差?！?0V強制電壓范圍內的輸出線(xiàn)性的平均值為111 fA p-p。
　　電路的轉換率能力會(huì )有相當大的變化，但一般而言，在D1驅動(dòng)待測器件時(shí)，輸出都會(huì )如實(shí)地在100ms或更短時(shí)間內轉換整個(gè)40V強制電壓。一旦高轉換周期完畢，IVC就不再飽和，并且它的輸出變成指數式電壓，時(shí)間常數為1ms。輸出在大約10.6ms內穩定到100fA。在無(wú)負載狀況下，電路消耗大約10.2mA（±30V 電源時(shí)）或400mA（±15V電源時(shí)）。原型電路的布局在單面印制電路板上占用大約1.5平方英寸，并且如果在雙面板的兩側都放置元件，則可將面積減小到1平方英寸。為了達到最佳性能，布局必須在輸入端子以及所有連接到IC1的2號引腳的跡線(xiàn)周?chē)O置防護環(huán)。電路的尺寸使它能被放置在待測器件夾具上，使引線(xiàn)長(cháng)度縮到最短，并使電源線(xiàn)引發(fā)的電磁干擾減小到最低。該電路能測量?jì)H1pA的電流，但它可通過(guò)減小R1的值來(lái)適應大的電流。