低功耗待測器件實(shí)現(xiàn)高精度低電流測量兩種方式

　　概述

　　由于當(dāng)今的重點(diǎn)是綠色出行和打造移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因此實(shí)現(xiàn)集成電路和電子組件功耗最小化已成為器件制造商的夢想。功耗最低意味著實(shí)現(xiàn)所有集成電路和電子組件的電流消耗最低。為了對(duì)這些部件進(jìn)行特性分析，必須測量器電流消耗。過去，功耗并不是主要問題，測量通過器件的電流非常簡單，因?yàn)殡娏麟娖较鄬?duì)較高，為毫安甚至安培級(jí)，利用標(biāo)準(zhǔn)多用表即可測量。當(dāng)今器件工作電流低至微安級(jí)甚至更低，因此需要更復(fù)雜設(shè)備進(jìn)行測量。

　　本文探討了對(duì)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(shù)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(yīng)用筆記詳細(xì)介紹了怎樣配置2280S系列高進(jìn)度測量直流電源，實(shí)現(xiàn)高精度低電流測量。

　　將電源與數(shù)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(shù)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(shù)字多用表，可以對(duì)毫安級(jí)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(shè)置。

　　圖1. 使用電源與數(shù)字多用表串聯(lián)來測量電流

　　雖然這個(gè)方法能夠?qū)νㄟ^器件的電流進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測量，但由于特性分析期間數(shù)字多用表造成的電壓負(fù)荷，該方法也可能帶來很多問題。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?yàn)樵跀?shù)字多用表產(chǎn)生電壓負(fù)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(shù)字多用表電壓（VDUT= VSET– VDMM）。如果忽略數(shù)字多用表電壓且用戶假設(shè)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?yàn)橛糜谟?jì)算的電壓將高于待測器件電壓值。當(dāng)在最低工作電壓附近對(duì)器件進(jìn)行測試時(shí)，這個(gè)電壓降還可能帶來問題。如果數(shù)字多用表的電壓負(fù)荷過大，器件電壓可能低于最低工作電壓，而且器件將無法正常工作，導(dǎo)致錯(cuò)誤測量。

　　通過輸出較高的電源電壓，可以對(duì)這個(gè)電壓降進(jìn)行補(bǔ)償，從而為待測器件提供期望的電壓。不過，數(shù)字多用表造成的電壓負(fù)荷隨著流經(jīng)電流的變化而變化，因此補(bǔ)償非常困難。 可以使用第二部數(shù)字多用表直接測量器件電壓，但這將添加新的儀器設(shè)備，不僅增加測試系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，而且可能給低電流測量帶來更大誤差源。數(shù)字多用表給測試電路帶來額外負(fù)載，致使電流高于實(shí)際流經(jīng)器件的電流。雖然電源與數(shù)字多用表串聯(lián)是一種非常簡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(shù)字多用表對(duì)通過器件的電流進(jìn)行測量，但是可以做得更簡單且更準(zhǔn)確。由于測試器件只需要1部儀器，因此測試得以簡化。圖2給出測試設(shè)置。

　　由于只有1部儀器，很快即可開始測試，因?yàn)樾枰O(shè)置的設(shè)備更少。自動(dòng)測量也更簡單，因?yàn)橹恍鑼?duì)1部儀器進(jìn)行編程。這避免了多部儀器的同步，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(shù)字多用表更準(zhǔn)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(nèi)部測量的，因此不會(huì)像串聯(lián)數(shù)字多用表那樣給測試電路帶來電壓負(fù)荷。這樣，器件兩端電壓等于編程電壓。要想進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度，可以利用器件端口的程控檢測引線直接測量電壓，這使得高精度測量電源直接補(bǔ)償為器件供電的測試引線上的電壓降。這些測試引線具有極高的輸入阻抗，因此對(duì)測試電路而言，它們實(shí)際上是零負(fù)載。利用這些特性，高精度測量電源能夠在任何電流電平對(duì)器件進(jìn)行極其精確的特性分析。由于在1部儀器內(nèi)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(tǒng)復(fù)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(duì)高精密基準(zhǔn)電壓源靜態(tài)電流進(jìn)行測量

　　接下來將介紹怎樣配置2280S系列高精度測量直流電源，在不連接輸出情況下，對(duì)高精密基準(zhǔn)電壓源電流消耗進(jìn)行測量。在數(shù)據(jù)表中給出了正在測量的這個(gè)電壓基準(zhǔn)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(zhǔn)確度。

　　設(shè)備

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

　　• 吉時(shí)利2280S系列高精度測量直流電源

　　• 測試引線

　　• 高精度基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓源待測器件的測試連接

　　測試連接相當(dāng)簡單，因?yàn)橹恍鑼筛€（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?yàn)殡娏鳂O低，不會(huì)在測試引線產(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(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地，以避免接地電流環(huán)路帶來的測量誤差。

　　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界面（圖5），可以快速進(jìn)行儀器設(shè)置，而且很容易通過前面板實(shí)現(xiàn)。為了使低電流測量具有最高精度，通過前面板進(jìn)行儀器配置的步驟是：

　　對(duì)測量設(shè)置進(jìn)行配置

　　• 將儀器分辨率設(shè)置為6位半（圖6）。

　　• 開啟自動(dòng)調(diào)零。

　　–自動(dòng)調(diào)零將自動(dòng)測量內(nèi)部基準(zhǔn)，針對(duì)每個(gè)觸發(fā)測量對(duì)儀器清零，使測量更準(zhǔn)確。

　　• 將NPLC值設(shè)置為15 （對(duì)于50Hz電源系統(tǒng)，其設(shè)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(duì)濾波器設(shè)置進(jìn)行配置

　　當(dāng)均值濾波器開啟后，儀器將返回某些測量結(jié)果平均值讀數(shù)。平均值測量使得讀數(shù)更穩(wěn)定，支持更高的精度。濾波器設(shè)置（圖7）的配置如下：

　　• 將濾波器狀態(tài)設(shè)置為開啟。

　　對(duì)觸發(fā)器設(shè)置進(jìn)行配置

　　• 將樣本計(jì)數(shù)設(shè)置為10，以與濾波器計(jì)數(shù)匹配（圖8）。這將利用10個(gè)連續(xù)讀數(shù)填充均值濾波器，讀數(shù)之間的時(shí)間很短。

　　• 將濾波器計(jì)數(shù)改為10。

　　–濾波器計(jì)數(shù)可以一直增加到100，這樣可使讀數(shù)更穩(wěn)定。

　　對(duì)電源延遲進(jìn)行配置

　　對(duì)于低電流測量，為了獲得準(zhǔn)確的結(jié)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(tǒng)中的電流建立其最終值。通過設(shè)置電源延遲，可以使測量延遲足夠長的時(shí)間，確保電流建立。

　　• 設(shè)置足夠長的電源延遲，確保電流建立時(shí)間（圖9）。雖然對(duì)于大多數(shù)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，那么可能需要更長的電源延遲。

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

　　運(yùn)行測試

　　將測量設(shè)置配置為最高精度后，儀器目前已做好啟動(dòng)測量準(zhǔn)備。為了啟動(dòng)測試，首先將輸出電壓（V-Set）設(shè)置為待測器件的正常電壓。對(duì)于正在進(jìn)行測試的高精度基準(zhǔn)電壓源，V-Set設(shè)置為3V。接著，將電流限幅（I-Limit）設(shè)置為足夠低，做到既保護(hù)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(duì)于這個(gè)器件，I-Limit將設(shè)置為最低容許值100μA。最后，開啟輸出，開始進(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(shè)置，2280S系列高精度測量直流電源可以進(jìn)行穩(wěn)定測量，最低約為100nA(＄0.0581)。圖11給出儀器前面板截圖，說明測量多么穩(wěn)定，從數(shù)據(jù)軌跡可以看出，讀數(shù)之間幾乎波動(dòng)微乎其微。此外，在顯示屏底部給出統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，表明峰-峰值極低，讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差很小。

　　實(shí)現(xiàn)低電流測量自動(dòng)化

　　為實(shí)現(xiàn)高精度低電流測量和自動(dòng)收集數(shù)據(jù)，可對(duì)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(jié)束語

　　利用2280S系列高精度測量電源，設(shè)計(jì)和測試工程師可以迅速而容易地對(duì)器件進(jìn)行高可靠、高質(zhì)量、低電流測量。其易于導(dǎo)航、易于讀數(shù)的圖形用戶界面，只需數(shù)秒鐘即可在測試臺(tái)完成低電流測量的儀器配置。作為線性電源，其輸出干凈而平靜，實(shí)現(xiàn)信號(hào)噪聲最低，確保最高測量精度。測試得以簡化，因?yàn)橹恍枧渲?部儀器，而且成本得以降低，因?yàn)闊o需額外設(shè)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。