CN102288899B - 一种精密恒流恒压施加测试电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密恒流恒压施加测试电路通过负反馈回路对输出电流或电压进行采样放大，然后与前向通路中输入程控数字信号转换的模拟信号进行比较，如果反馈的电流或电压值大于施加DAC的输出值，则施加放大器输出减小，功率放大器输出减小，相反则施加放大器输出增大，功率放大器输出也增加，使反馈的电流或电压值等于施加DAC的输出值，从而精确控制输出恒定电流或电压。此外，箝位电路在施加恒流/恒压时，负载出现开路或短路等异常情况时，使施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出电压或电流箝位，变成恒压/恒流输出，从而保护精密恒流恒压施加测试电路。

Description

一种精密恒流恒压施加测试电路

技术领域

本发明属于测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种精密恒流恒压施加测试电路。

背景技术

集成电路作为信息产业的基础和核心，是国民经济和社会发展的战略性产业，在推动经济发展、社会进步、提高人民生活水平以及保障国家安全等方面发挥着重要作用，已成为当前国际竞争的焦点和衡量一个国家或地区现代化程度以及综合国力的重要标志。

集成电路测试是保证集成电路性能、质量的关键手段之一，集成电路测试技术是发展集成电路产业的三大支撑技术之一。

按测试内容，集成电路的测试可以分为直流参数测试和交流参数测试。其中直流参数测试在集成电路的设计、生产及维护中起着举足轻重的作用，尤其是在大规模生产中，直流参数测试的应用非常广泛，它往往是评价集成电路合格与否的关键。

直流参数测试通常包括直流电压和直流电流的测试。直流电压和电流测试的基本方法是施加电压测电流(FVMI)和施加电流测电压(FIMV)。施加电压测电流是在芯片的某些引脚上施加恒定电压值，然后在相应的输出引脚测试响应电流；施加电流测电压是在芯片的引脚施加恒定电流值，然后测试其输出响应的电压。可见，要完成集成电路的直流参数测试，必须要有能够提供恒定电压或电流激励，并且同时能完成电压和电流测量的施加测试电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密恒流恒压施加测试电路。

为实现上述目的，本发明精密恒流恒压施加测试电路包括：由施加DAC、施加放大器和功率放大器组成的前向通路、由电流取样电阻、电流检测放大器、电压检测放大器和电流/电压选择开关组成的负反馈回路以及测量电路；

施加DAC将代表直流电流或直流电压幅度的程控数字信号转换成模拟信号并输出到施加放大器；施加放大器是一个误差放大器，它将负反馈回路反馈的电流或电压值与施加DAC的输出值进行误差放大，并输出到功率放大器；功率放大器将施加放大器的输出进行功率放大，然后经电流取样电阻输出到负载；

电流取样电阻将流过负载的电流信号转换成电压信号，然后输出到电流检测放大器，电流检测放大器将反应负载电流大小的电压信号放大后输出到电流/电压选择开关；电压检测放大器将负载上的电压放大后输出到电流/电压选择开关；电流/电压选择开关在施加恒流时，选择电流检测放大器输出作为负反馈回路反馈的电流值送入施加放大器，电流/电压选择开关在施加恒压时，选择电压检测放大器输出作为负反馈回路反馈的电压值送入施加放大器，构成负反馈，如果反馈的电流或电压值大于施加DAC的输出值，则施加放大器输出减小，功率放大器输出减小，相反则施加放大器输出增大，功率放大器输出也增加，使反馈的电流或电压值等于施加DAC的输出值，从而精确控制输出恒定电流或电压；

测量电路对恒流施加时负载的电压进行测量，对恒压施加时负载的电流进行测量；

其中，作为比较的负反馈回路反馈的电流或电压值、施加DAC的输出值、施加放大器输出、功率放大器输出均指幅度值，其具体的正负相位关系视具体的电路设计而定。

作为改进，本发明精密恒流恒压施加测试电路还包括箝位DAC，箝位放大器和箝位反馈选择开关组成的箝位电路；箝位DAC用于设定电流或电压箝位值，其输出箝位值输出到箝位放大器；

在施加恒流时，箝位反馈选择开关选择电压检测放大器的输出作为反馈值送入箝位放大器，反馈值与电压箝位值进行比较，如果反馈值小于等于电压箝位值，则箝位放大器不输出，如果反馈值大于箝位值，则箝位放大器输出，使施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出电流相应减小，输出电压箝位，变成恒压输出，并由电压箝位值确定。

在施加恒压时，箝位反馈选择开关选择电流检测放大器的输出作为反馈值送入箝位放大器，反馈值与电流箝位值进行比较，如果反馈值小于等于电流箝位值，则箝位放大器不输出，如果反馈值大于箝位值，则箝位放大器输出，使施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出电压相应减小，输出电流箝位，变成恒流输出，并由电流箝位值确定；

其中，反馈值及箝位值均指幅度值，其具体的正负相位关系视具体的电路设计而定。

本发明的发明目的是这样实现的：

在本发明中，精密恒流恒压施加测试电路通过负反馈回路对输出电流或电压进行采样放大，然后与前向通路中输入程控数字信号转换的模拟信号进行比较，如果反馈的电流或电压值大于施加DAC的输出值，则施加放大器输出减小，功率放大器输出减小，相反则施加放大器输出增大，功率放大器输出也增加，使反馈的电流或电压值等于施加DAC的输出值，从而精确控制输出恒定电流或电压。

附图说明

图1是本发明精密恒流恒压施加测试电路一种具体实施方式原理框图；

图2是图1所示FPGA控制电路的逻辑框图；

图3是图1所示的前向通路、负反馈回路的具体电路原理图；

图4是图1所示精密恒流恒压施加测试电路电流箝位部分电路图；

图5是图1所示的测量电路的电原理图；

图6是图1所示光电隔离电路的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明精密恒流恒压施加测试电路一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图所示，本发明精密恒流恒压施加测试电路包括前向通路1、负反馈回路2、箝位电路3、测量电路4、FPGA控制电路5、光电隔离电路6以及CPU 7。

CPU 7的作用是发出控制命令，以选择工作模式；控制DA转换器，以设定施加的电流和电压值，设定箝位电流和电压值，设定窗口比较电平；控制AD转换器，完成测量工作。

施加DAC 101、施加放大器102和功率放大器103组成前向通路1。FPGA控制电路5输出代表直流电流或直流电压幅度的程控数字信号通过光电隔离电路6输入到施加DAC 101，DAC 101将代表直流电流或直流电压幅度的程控数字信号转换成模拟信号并输出到施加放大器102。施加放大器102是一个误差放大器，它将负反馈回路反馈的电流或电压值与施加DAC 101的输出值进行误差放大，并输出到功率放大器103；在本实施例中，施加放大器102对直流信号而言是工作在开环状态，其放大倍数由总的环路增益决定。功率放大器103将施加放大器102的输出进行功率放大，然后经电流取样电阻输出到负载；在本实施例中，功率放大器103的增益是恒定值。

电流取样电阻201、电流检测放大器202、电压检测放大器203和电流/电压选择开关K1组成负反馈回路2。

电流取样电阻201将流过负载的电流信号转换成电压信号，然后输出到电流检测放大器202，改变电流取样电阻201的值就可以实现不同的电流量程。电流检测放大器202将反应负载电流大小的电压信号放大后输出到电流/电压选择开关K1；电流检测放大器202是一个差分放大器，电流检测放大器202增益为恒定值。电压检测放大器203电压检测放大器也是一个差分放大器，其增益可控，通过调节其增益，可以实现不同的电压量程；电压检测放大器203将负载上的电压，即施加端到地之间的电压放大后输出到电流/电压选择开关K1。

电流/电压选择开关K1在施加恒流时，选择电流检测放大器202输出作为负反馈回路反馈的电流值送入施加放大器102；电流/电压选择开关K1在施加恒压时，选择电压检测放大器202输出作为负反馈回路反馈的电压值送入施加放大器102，构成负反馈。如果反馈的电流或电压值大于施加DAC的输出值，则施加放大器102输出减小，功率放大器103输出减小，相反则施加放大器102输出增大，功率放大器103输出也增加，使反馈的电流或电压值等于施加DAC 101的输出值，从而精确控制输出恒定电流或电压。

在本实施例中，如图1所示，箝位电路3由箝位DAC 301，箝位放大器302和箝位反馈选择开关K2。箝位DAC 301用于设定电流或电压箝位值，其输出箝位值输出到箝位放大器302；

在施加恒流时，箝位反馈选择开关K2选择电压检测放大器203的输出作为反馈值送入箝位放大器302，反馈值与箝位值进行比较，如果反馈值小于等于箝位值，则箝位放大器302不输出，如果反馈值大于箝位值，则箝位放大器302输出，对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电流进行分流，使驱动功率放大器103输出电压箝位，变成恒压输出。

在施加恒压时，箝位反馈选择开关K2选择电流检测放大器202的输出作为反馈值送入箝位放大器302，反馈值与箝位值进行比较，如果反馈值小于等于箝位值，则箝位放大器302不输出，如果反馈值大于箝位值，则箝位放大器302输出，对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电流进行分流，使驱动功率放大器103输出电流箝位，变成恒流输出。

在本实施例中，如图1所示，箝位放大器302包括正向箝位放大器3021、负向箝位放大器3022、反相器3023以及二极管D1、D2，箝位DAC 301输出的箝位值直接输出给正向箝位放大器3021，同时，该箝位值经过反相器3023后输入到负向箝位放大器3022。

检测到的反馈值为正时，负向箝位放大器3022始终输出为负值，其输出端正向接到功率放大器103的二极管D2不导通，不对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流进行分压或分流，整个负向箝位放大器3022不起作用；同时，当检测到的反馈值为正，且幅度值小于等于箝位值，则正向箝位放大器3021输出高电平，其输出端反向接到功率放大器103的二极管D1不导通，不对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流进行分压或分流，整个正向箝位放大器3021也不起作用；当检测到的反馈值为正，且幅度值大于箝位值，则正向箝位放大器3021输出低电平，其输出端反向接到功率放大器103的二极管D1导通，使施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流减小，驱动功率放大器103输出的电流或电压相应减小，输出电压或电流箝位，精密恒流恒压施加测试电路由恒流或恒压施加变成恒压或恒流输出。

同理，检测到的反馈值为负时，正向箝位放大器3021始终输出为正值，其输出端反向接到功率放大器103的二极管D1不导通，不对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流进行分压或分流，整个正向箝位放大器3021不起作用；同时，当检测到的反馈值为负，且幅度值小于等于箝位值，则负向箝位放大器3022输出低电平，其输出端正向接到功率放大器103的二极管D2不导通，不对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流进行分压或分流，整个负向箝位放大器3022也不起作用；当检测到的反馈值为负，且幅度值大于箝位值，则负向箝位放大器3022输出高电平，其输出端正向接到功率放大器103的二极管D2导通，使施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流减小，使驱动功率放大器103输出的电流或电压相应减小，输出电压或电流箝位，精密恒流恒压施加测试电路由恒流或恒压施加变成恒压或恒流输出。

测量电路4对恒流施加时负载的电压进行测量，对恒压施加时负载的电流进行测量。在本实施例中，如图1所示，测量电路4包括上限DAC 401、下限DAC 402、上限比较器403，下限比较器404和AD转换器405；上限DAC 401用于设定比较电平的上限，输入到上限比较器403，下限DAC 402用于设定比较电平下限，输入到下限比较器404；上限比较器403将恒流施加时负载的电压反馈值或恒压施加时负载的电流反馈值与设定的上限值进行比较，其结果经光电隔离电路6送入到FPGA控制电路5；下限比较器404将恒流施加时负载的电压反馈值或恒压施加时负载的电流反馈值与设定的下限值进行比较，然后结果经光电隔离电路6送入到FPGA控制电路5。同时，AD转换器405对将恒流施加时负载的电压反馈值或恒压施加时负载的电流反馈值进行采样和模数转换，其转换值经光电隔离电路6到FPGA控制电路5。

在本实施例中，精密恒流恒压施加测试电路工作原理为：

1)恒流/恒压施加原理

如图1所示，恒流/恒压施加功能由前向通路1和负反馈回路2实现，前向通路1和负反馈回路2组成一个负反馈环路。理想的施加电流或电压由施加DAC给定，实际的施加值由电流取样电阻201、电流检测放大器202或电压检测放大器203和电流/电压选择开关K1反馈到施加放大器102，代表实际施加值的反馈电流或电压值和代表理想施加值的施加DAC输出值在施加放大器102的输入端进行比较，当实际的施加值小于理想值时，施加放大器102的输出增大，从而使实际输出值，即施加值增大，直到实际输出值精确地等于理想的给定值，即理想值；反之，当实际的施加值大于理想值时，施加放大器102的输出减小，从而使实际输出值减小，直到实际输出值精确地等于理想的给定值。当电流/电压选择开关K1接到a端时实现恒流源工作模式，当电流/电压选择开关K1接到b点时实现恒压源工作模式。

2)电流/电压箝位电路工作原理

如图1所示，当精密恒流恒压施加测试电路工作在恒流源模式时(电流/电压选择开关K1接到a端)，箝位电路就工作在电压箝位模式(箝位反馈选择开关K2就接到d端)。此时，正向箝位电压值由箝位DAC 301给定，负向箝位电压值由正向箝位值经反相器3023反相得到。正向箝位放大器3021将反馈的电压值与正向箝位电压值比较，负向箝位放大器3022将反馈的电压值与负向箝位电压值比较，当负载两端电压正常时，正向箝位放大器3021、负向箝位放大器3022输出端的二极管D1、D2都是截止的，整个电路工作在恒流源模式。当负载发生开路或其他异常情况导致负载两端电压过高(反馈的电压值正向高于正向箝位电压值或负向低于负向箝位电压值)，正向箝位放大器3021、负向箝位放大器3022的输出使其后接的两个箝位二极管D1、D2中的其中一只导通，对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流进行分压或分流，驱动功率放大器103的电压或电流减小，驱动功率放大器输出的电流相应减小，并由箝位二极管D1、D2控制，输出电压箝位，并由箝位DAC 301给定的正向箝位电压值确定，精密恒流恒压施加测试电路由恒流源模式转换成恒压源模式，其输出电压大小就等于箝位电压值。当负载恢复正常时，又转换成恒流源模式。

反之，如果施加电路工作在恒压源模式(电流/电压选择开关K1接到b端)，箝位电路就工作在电流箝位模式(箝位反馈选择开关K2就接到c端)。此时，正向箝位电流值由箝位DAC 301给定，负向箝位电流值由正向箝位电流值经反相器3023反相后得到。当流过负载的电流正常时，正向箝位放大器3021、负向箝位放大器3022输出端的箝位二极管D1、D2都是截止的，整个电路工作在恒压源模式。当负载发生短路或其他异常情况导致流过负载电流过大(反馈的电流值正向大于正向箝位电流值或负向小于负向箝位电流值)，正向箝位放大器3021、负向箝位放大器3022的输出使其后接的两个二极管D1、D2之一导通，对施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器103的电压或电流进行分压或分流，驱动功率放大器103的电压或电流减小，驱动功率放大器输出的电压相应减小，并由箝位二极管D1、D2控制，输出电流箝位，并由箝位DAC 301给定的正向箝位电流值确定，精密恒流恒压施加测试电路由恒压源模式转换成恒流源模式，其输出电流大小就等于箝位电流值。当负载恢复正常时，又转换成恒压源模式。

3)电流/电压测量工作原理

在本实施例中，如图1所示，测量电路可以完成电流或电压的快速判读和精确测量。判读功能由上限DAC 401、下限DAC 402、上限比较器403，下限比较器404实现。判读的上限值由上限DAC 401给定，下限值由下限DAC 402给定。当被测电流或电压高于上限值的时候，上限比较器403输出为1；反之当被测值小于判读下限值时，下限比较器404的输出为1。这样，在不需要精确测量被测电压或电流而只需要判定合格与否的情况下，就可以通过判读功能快速的得到测试结果。当需要精确测试时，可由启动AD转换器405进行采样和模数转换，从而得到被测电压或电流的精确值。

4)浮地测量原理

在本实施例中，如图1所示，本发明精密恒流恒压施加测试电路具有浮地测量功能，通过对数字接口信号的隔离和电源的隔离来实现的。数字接口信号的主要包括FPGA和DA转换器及FPGA和AD转换器之间的接口信号。对数字接口信号的隔离是通过光电隔离电路6来实现的。此外，要实现浮地测量功能，图1中的施加测试电路的地电位必须浮置，不能与整个***共地。本发明中是采样DC-DC模块来隔离该电路的供电电源，从而使施加测试电路的地为浮置状态(DC-DC模块图中没有画出)。

5)电流和电压量程选择

电流量程的控制是通过改变电流取样电阻201的值实现的，电压量程是通过控制电压检测放大器203的增益实现。他们都是可以由计算机程控的。

6)工作模式的切换

如前所述，该电路具有8种工作模式，其中FV、FI、MV、MI是四种最基本的工作模式，其它几种工作模式都是这四种基本工作模式的组合。各种工作模式的切换是通过控制电流/电压选择开关K1和K2来实现的。表1是电路工作模式与开关状态对照表，给出了各种开关组合对应的工作模式。

表1

图2是图1所示FPGA控制电路的逻辑框图。

在本实施例中，如图2所示，FPGA控制电路5包括地址译码器501、模式控制逻辑模块502、DA接口逻辑模块503、AD接口逻辑模块504、判断逻辑模块505。地址译码器501接收来自CPU的地址A₀～A₇和选通信号Slot，选通信号Slot使能地址译码器501，地址译码器501，对地址A₀～A₇进行译码，然后输入到各个逻辑模块中，使能相应的模块。

在模式控制逻辑模块502中，写Write信号和地址译码器501输出的模式选择信号输入与门，当都为高电平时输出高电平，使能模式数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，然后作为模式控制命令输出给电流/电压选择开关K1、箝位反馈选择开关K2实现各种工作模式的切换。

在DA接口逻辑模块503中，写Write信号和地址译码器501输出的两路选择信号分别输入与门，当其中启动DA选择信号为高电平、写Write信号输出高电平时，使能启动DA数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，然后作为启动DA命令输出给相应的DAC；当其中启动DA数据选择信号为高电平、写Write信号输出高电平时，使能DA数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，并存入16位移位寄存器中，然后作为DA数据输出给相应的DAC。在图2中只画出了一个DA接口逻辑模块503，其他还有三个没有画出。四个DA接口逻辑模块分别对应施加DAC 101、箝位DAC 301、上限DAC 401、下限DAC 402。

在AD接口逻辑模块504中，写Write信号和地址译码器501输出的AD启动选择信号输入与门，当都为高电平时输出高电平，使能模式数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，然后作为启动AD命令输出给AD转换器405。读Read信号和和地址译码器501输出的读AD选择信号输入另一与门，使能三态门，接收16移位寄存器中的AD数据，AD数据来自AD转换器405，通过AD数据锁存器存入16移位寄存器中。

在判读逻辑模块505中，读Read信号和地址译码器501输出的判断逻辑选择信号输入与门，当都为高电平时输出高电平，使能三态门，读去来自测量电路4的上限比较结果或下限比较结果。

图3是图1所示的前向通路、负反馈回路的具体电路原理图。

1)恒压施加环路

图1中，将电流/电压选择开关K1接到电压检测放大器203的输出端，即可构成恒压施加环路203。如图3所示，电压施加环路由施加放大器102、功率放大器103、电压检测放大器、电流/电压选择开关K1组成。

如图3所示，施加放大器102包括电阻R1、R2和施加运放A1。施加DAC 101输出代表施加直流电压幅度的电压值V1，通过电阻R1输入到施加运放A1的反向输入端，实际输出施加直流电压值Vo，经电压检测放大器203、电流/电压选择开关K1和电阻R2反馈回施加运放的反向输入端，施加运放A1的正端接地。假设施加运放A1为理想运放的特点，则流入其反向输入端的电流值应该为0，此时有：

$\frac{V1}{R1}=-\frac{V_O\×\mathrm{Gv}}{R2}---\left(1\right)$

式中，Gv是电压检测放大器的增益，令R1＝R2＝10KΩ，则有：

Vo＝-V1/Gv                        (2)

由此可见，通过控制施加DAC 101的输出值V1就能精确控制输出施加直流电压值Vo。

此处的施加运放A1选用AD744，其建立时间为100ns，这样可以快速调节输出电压或电流。本施加电路是由负反馈环路构成，深度负反馈引起的相位变化可能导致自激震荡，使电路不能稳定工作。因此，在施加运放的输出端和反向输入端接入了一个电容C₁，该电容能起到相位补偿的作用，从而破坏自激震荡的相位条件，使电路能稳定工作。

如图3所示，在本实施例中，功率放大器103包括电阻R3、R4、R5和功率运放A2，功率运放A2选用OPA544，其最大输出电流为2A，电阻R3接到施加运放A1输出与功率运放A2正输入端，电阻R4接到功率运放A2负输入端与输出端之间，电阻R5接在功率运放A2负输入端与地之间，构成反向功率放大器。在本实施例中，电阻R4＝3*R5，这样，功率放大器103的增益固定为4。

电压检测放大器203包括电阻R12～R17以及电压检测运放A2，电阻R12接在施加端与电压检测运放A2的正端，电阻R13接在地与电压检测运放A2的负端，反馈电阻R14-R17接在电压检测运放A2的输出端和负端之间，构成一个同相差动放大器，通过选择不同的反馈电阻R14-R17，可以改变电压检测放大器的增益，其增益Gv为：

其中Rv为选择的反馈电阻，为反馈电阻R14-R17之一

从而实现4个不同的电压施加量程。在本实施例中，为2v、4v、8v、16v等4个不同的电压施加量程。

2)恒流施加环路

在本实施例中，如图3所示，恒流施加环路由施加放大器102、功率放大器103、电流检测放大器202、电流/电压选择开关K1组成。

电流取样电阻201为R5～R11，选择不同的电流取样电阻可以实现不同的电流量程。在本实施中，为2u，20uA，200uA，2mA，20mA，200mA，400mA等七档量程。同理，假设施加运放A1为理想运放的特点，则流入其反向输入端的电流值应该为0，此时有：

$\frac{I_O\×\mathrm{Ri}\×\mathrm{Gi}}{R2}=-\frac{V1}{R1}---\left(3\right)$

式中，Gi是电流检测放大器的增益，令R₁＝R₂＝10KΩ，则有：

Io＝-V₁/(Gi×Ri)                            (4)

由此可见，通过控制施加DAC 101的输出值V1就能精确控制输出施加直流电压值Io。

图4是图1所示精密恒流恒压施加测试电路电流箝位部分电路图。

1)电流箝位电路

在恒压施加模式下，将图1中箝位反馈选择开关K2接到电流检测放大器202的输出端，即可构成电流箝位电路，如图4所示。

实际输出电流Io经电流检测放大器202、箝位反馈选择开关K2和电阻R19和R20分别输入正向箝位放大器3021的运算放大器A5和负向箝位放大器3022的运算放大器A6的负端，运算放大器A5、A6的正端接地。

电流箝位值V3由箝位DAC 301给定，在本实施例中，电流箝位值V3始终为负电压值，经过电阻R18加到正向箝位放大器3021的运算放大器A5的负端，通过反相器3023反相变成正电压，然后再通过电阻R21加到负向箝位放大器3022的运算放大器A6的负端。

电流检测的反馈值V4分别在运算放大器A5、A6的负端与设定的电流箝位值V3/-V3比较，当负载正常时，箝位电路不起作用，精密恒流恒压施加测试电路工作在恒压施加模式。

当电流检测的反馈值V4为正，且超过给定的电流箝位值V3的幅度值时，正向箝位放大器3021的运算放大器A5输出为负，使二极管D1导通，对施加放大器102通过电阻R3输入到功率放大器运放A2正端的正电压进行分压，使施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器的电压减小，即功率放大器运放A2正端的电压降低，减小从功率放大器运放A2的输出端通过反馈电阻R4向负端流过的电流，从而使输出电压降低，输出电流箝位，变成恒流输出。

在电流箝位时，由于电压检测放大器203输出的电压反馈值小于施加DAC101的输出值V1的大小，施加放大器102工作在饱和状态，输出为正的饱和输出电压，但是，由于电阻R3为阻值较大的功率放大器103的输入电阻，正向箝位放大器3021的运算放大器A5输出通过反向二级管连到功率放大器运放A2正端，其输出低于二级管压降后，其电流可以迅速增加，可以完全将流过电阻R3的电流吸收，使功率放大器运放A2正端的电压减小，这样，整个精密恒流恒压施加测试电路输出电流Io的大小取决于电流箝位值V3，精密恒流恒压施加测试电路变为恒流施加模式。

反之，当电流检测的反馈值为负，且超过给定的电流箝位值V3的幅度值时，负向箝位放大器3022的运算放大器A6输出为正，使二极管D2导通，对施加放大器102通过电阻R3输入到功率放大器运放A2正端的负电压进行分压，使施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器的负电压减小，即功率放大器运放A2正端的负电压降低，减小从功率放大器运放A2的负端通过反馈电阻R4向输出端流过的电流，从而使输出电压降低，输出电流箝位，变成恒流输出。此处，输出电压、电流均指幅度。

同理，在电流箝位时，由于电压检测放大器203输出的电压反馈值小于施加DAC 101的输出值V1的大小，施加放大器102工作在饱和状态，输出为负的饱和输出电压，但是，由于电阻R3为阻值较大的功率放大器103的输入电阻，负向箝位放大器3022的运算放大器A6输出通过正向二级管连到功率放大器运放A2正端，其输出高于二级管压降后，其电流可以迅速增加，可以提供流过电阻R3的电流，使功率放大器运放A2正端的负电压减小，这样，整个精密恒流恒压施加测试电路输出电流Io的大小取决于电流箝位值V3，精密恒流恒压施加测试电路变为恒流施加模式。

这样功率放大器的输入电平就由正向(或负向)箝位放大器控制，电路的工作模式将发生转换，即由原来的电压施加转换成电流施加模式。此时有：

$\frac{\mathrm{Io}\×\mathrm{Ri}\×\mathrm{Gi}}{R19}=-\frac{V3}{R18}$ (正向箝位)                            (5)

$\frac{\mathrm{Io}\×\mathrm{Ri}\×\mathrm{Gi}}{R20}=\frac{V3}{R21}$ (负向箝位)                            (6)

式中Ri是电流取样电阻。令R18＝R19＝R20＝R21，则有

I_o＝-V3/(Ri×Gi)(正向箝位)        (7)

I_o＝V3/(Ri×Gi)(负向箝位)         (8)

可见，通过控制DAC输出的电流箝位值V₃，就可以精确控制箝位电流。

电流取样电阻R₅-R₁₁共7个，从而实现7个不同的电流量程。这里，电流取样电阻上的压降最大为1V，电流检测放大器为一差动放大器，其增益固定为Gi＝8，即电流反馈最大值为8V。

在本实施例中，通过对施加放大器102通过电阻R3输入到功率放大器运放A2正端的正、负电压进行分压，使施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器的正、负电压减小，即功率放大器运放A2正端的正、负电压降低，来降低功率放大器运放输出电压降低，输出电流箝位，从而精密恒流恒压施加测试电路变为恒流施加模式。在具体实施过程中，也可以采用通过分流方式，使施加放大器102输出的、用于驱动功率放大器的电流减小的方式实现降低功率放大器运放输出电压降低，输出电流箝位，从而精密恒流恒压施加测试电路变为恒流施加模式。

2)电压箝位电路

电压箝位原理与电流相同，只是反馈的是电压，在此不再赘述。

图5是图1所示的测量电路的电原理图。

如图5所示，在本实施例中，测量电路包括电压/电流判读和精确的电压/电流测量，测量电路4包括上限DAC 401、下限DAC 402、上限比较器403，下限比较器404和AD转换器405。电压/电流判读由上限和下限比较器403、404实现，精确的电压/电流测量由AD转换器405组成。

图5中，在不需要精确测量被测电压或电流而只需要判定合格与否的情况下，就可以通过判读功能快速的得到测试结果。判读的上限值和下限值分别由两个DA转换器给定，并输入到比较器的一个输入端，被测的电流或电压信号经开关K2输入到比较器的另外一端，当被测值大于判读上限时，上限比较器的输出为高电平；反之，当被测值小于判读下限时，下限比较器的输出为高电平。此处的比较器选用LM311，其输出级是集电极开路输出，所以其输出端经过一个上拉电阻(R23和R25)接到+5V，这样，LM311的输出高电平就是+5V。

当需要精确测量电流或电压值时，可以启动AD转换器。该AD转换器分辨率为16位，最大非线性误差≤±1LSB，这样可以实现高精度的测量。

图6是图1所示光电隔离电路的电原理图。

如前所述，为了实现浮地施加和测量的功能，需要将AD和DA转换器的数字接口信号进行隔离。本实施实例中用的是HCPL-M600，其最大带宽可达10MHz。考虑到驱动能力，该实例中加入了一级三极管放大电路，以提高驱动电流。具体电路如图6所示：

图6中，输入信号经三极管电流放大后接到HCPL-M600的输入端，即发光二极管的负极，HCPL-M600的输出端接上拉电阻R27到+3.3V。+5V和+3.3V电源的参考地是相互隔离的，从而实现了输入信号和输出信号的隔离。当输入信号为高电平时，扩流三极管导通，从而使光电开关的发光二极管的负端接到地，发光二极管导通，光电开关输出为低电平。反之，当输入信号为低电平时，扩流三极管截止，从而使光电开关的发光二极管截止，光电开关输出为高电平。

这里R27的取值比较关键。当传输低频信号时，R27的的设计只需考虑驱动能力，其值可以取4.7K，如果后级负载是标准TTL电平，且负载个数就一两个，可以取到47K。然而，在传输高频信号时，HCPL-M600的输出端的集电极和发射极之间的分布电容效应会表现出来，相当于在集电极和发射极之间跨接一个电容，当HCPL-M600输出高电平时，R27和此电容组成RC充电电路，R27的值会影响输出高电平上升时间从而影响传输信号的频率。在本实例中，HCPL-M600传输信号的最高频率达2MHz，R27取470欧姆可以满足要求。

测试结果及性能分析

1)静态误差

表2给出了电压施加模式的具体测试数据(±8V档)；表3给出了电压测量模式的具体测试数据(±8V档)；表4给出了每个档位的电压/电流的施加和测试精度。

FV理论值(V)	FV实测值(V)	FV绝对误差(V)	FV相对误差(％)
				-7.9500	-79505	-0.0005	-0.0031
-6.0000	-5.9999	0.0001	0.0006
				-4.0000	-3.9996	0.0004	0.0025
-2.0000	-1.9997	0.0003	0.0019
				-1.0000	-09996	0.0004	0.0023
1.0000	1.0001	0.0001	0.0007
				2.0000	2.0000	0.0000	0.0000
4.0000	4.0000	0.0000	0.0000
				6.0000	6.0000	0.0000	0.0000
7.9500	7.9502	0.0002	0.0013

表2

MV理论值(V)	MV实测值(V)	MV绝对误差(V)	MV相对误差(％)
				-7.9505	-7.9503	0.0002	0.0013
-5.9999	-6.0001	-0.0002	-0.0015
				-3.9996	-4.0004	-0.0008	-0.0049
-1.9997	-2.0001	-0.0003	-0.0022
				-0.9996	-1.0000	-0.0004	-0.0024
1.0001	1.0008	0.0007	0.0045
				2.0000	1.9997	-0.0003	-0.0018
4.0000	4.0006	0.0005	0.0003
				6.0000	5.9987	-0.0013	-0.0084
7.9502	7.9501	-0.0001	-0.0009

表3

表4

从表2～4，可以看出，本发明精密恒流恒压施加测试电路具有很高的精度，完全可以应用于集成电路的测试。

2)测试速度分析

影响本电路测试速度的因素主要有以下几个：继电器开关切换时间、D/A转换时间、施加环路建立时间、被测信号稳定时间和A/D采样及滤波时间。D/A转换时间为20uS左右，可以忽略；施加环路建立时间也是微妙级，可以忽略；继电器切换时间为3-5ms；被测信号从0V]变化到最大值(16v)时间约为10ms；A/D采样及滤波时间主要取决于滤波次数，滤波次数越大则测试精度越高但需要时间越长，反之，滤波次数越少需要时间越短但测试精度也就越低。本电路完成一次测试的时间就是以上几段时间之和，为15-20ms左右，也适合集成电路的测试。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种精密恒流恒压施加测试电路包括：由施加DAC、施加放大器和功率放大器组成的前向通路、由电流取样电阻、电流检测放大器、电压检测放大器和电流/电压选择开关组成的负反馈回路、测量电路以及箝位电路； 

施加DAC将代表直流电流或直流电压幅度的程控数字信号转换成模拟信号并输出到施加放大器；施加放大器是一个误差放大器，它将负反馈回路反馈的电流或电压值与施加DAC的输出值进行误差放大，并输出到功率放大器；功率放大器将施加放大器的输出进行功率放大，然后经电流取样电阻输出到负载； 

电流取样电阻将流过负载的电流信号转换成电压信号，然后输出到电流检测放大器，电流检测放大器将反应负载电流大小的电压信号放大后输出到电流/电压选择开关；电压检测放大器将负载上的电压放大后输出到电流/电压选择开关；电流/电压选择开关在施加恒流时，选择电流检测放大器输出作为负反馈回路反馈的电流值送入施加放大器，电流/电压选择开关在施加恒压时，选择电压检测放大器输出作为负反馈回路反馈的电压值送入施加放大器，构成负反馈，如果反馈的电流或电压值大于施加DAC的输出值，则施加放大器输出减小，功率放大器输出减小，相反则施加放大器输出增大，功率放大器输出也增加，使反馈的电流或电压值等于施加DAC的输出值，从而精确控制输出恒定电流或电压； 

测量电路对恒流施加时负载的电压进行测量，对恒压施加时负载的电流进行测量； 

其中，作为比较的负反馈回路反馈的电流或电压值、施加DAC的输出值、施加放大器输出、功率放大器输出均指幅度值，其具体的正负相位关系视具体的电路设计而定； 

箝位DAC，箝位放大器和箝位反馈选择开关组成的箝位电路；箝位DAC用于设定电流或电压箝位值，其输出箝位值输出到箝位放大器； 

在施加恒流时，箝位反馈选择开关选择电压检测放大器的输出作为反馈值送入箝位放大器，反馈值与电压箝位值进行比较，如果反馈值小于等于电压箝位值，则箝位放大器不输出，如果反馈值大于箝位值，则箝位放大器输出，使施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出电流相应减小，输出电压箝位，变成恒压输出，并由电压箝位值相确定； 

在施加恒压时，箝位反馈选择开关选择电流检测放大器的输出作为反馈值送入箝位放大器，反馈值与电流箝位值进行比较，如果反馈值小于等于电流箝位值，则箝位放大器不输出，如果反馈值大于箝位值，则箝位放大器输出，使施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出电压相应减小，输出电流箝位，变成恒流输出，并由电流箝位值确定； 

其中，反馈值及箝位值均指幅度值，其具体的正负相位关系视具体的电路设计而定； 

所述箝位放大器包括正向箝位放大器、负向箝位放大器、反相器以及二极管D1、D2，箝位DAC输出的箝位值直接输出给正向箝位放大器，同时，该箝位值经过反相器后输入到负向箝位放大器； 

检测到的反馈值为正时，负向箝位放大器始终输出为负值，其输出端正向接到功率放大器的二极管D2不导通，不对施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流进行分压或分流，整个负向箝位放大器不起作用；同时，当检测到的反馈值为正，且幅度值小于等于箝位值，则正向箝位放大器输出高电平，其输出端反向接到功率放大器的二极管D1不导通，不对施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流进行分压或分流，整个正向箝位放大器也不起作用；当检测到的反馈值为正，且幅度值大于箝位值，则正向箝位放大器输出低电平，其输出端反向接到功率放大器的二极管D1导通，使施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出的电流或电压相应减小，输出电压或电流箝位，精密恒流恒压施加测试电路由恒流或恒压施加变成恒压或恒流输出； 

同理，检测到的反馈值为负时，正向箝位放大器始终输出为正值，其输出端反向接到功率放大器的二极管D1不导通，不对施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流进行分压或分流，整个正向箝位放大器不起作用；同时，当检测到的反馈值为负，且幅度值小于等于箝位值，则负向箝位放大器输出低电平，其输出端正向接到功率放大器的二极管D2不导通，不对施加放大器输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流进行分压或分流，整个负向箝位放大器也不起作用；当检测到的反馈值为负，且幅度值大于箝位值，则负向箝位放大器输出高电平，其输出端正向接到功率放大器的二极管D2导通，使施加放大器 输出的、用于驱动功率放大器的电压或电流减小，驱动功率放大器输出的电流或电压相应减小，输出电压或电流箝位，精密恒流恒压施加测试电路由恒流或恒压施加变成恒压或恒流输出； 

其特征在于，还包括：FPGA控制电路以及CPU； 

所述FPGA控制电路包括地址译码器、模式控制逻辑模块、DA接口逻辑模块、AD接口逻辑模块、判断逻辑模块；地址译码器接收来自CPU的地址A₀～A₇和选通信号，选通信号使能地址译码器，地址译码器对地址A₀～A₇进行译码，然后输入到各个逻辑模块中，使能相应的逻辑模块； 

在模式控制逻辑模块中，来自CPU的写信号和地址译码器输出的模式选择信号输入与门，当都为高电平时输出高电平，使能模式数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，然后作为模式控制命令输出给电流/电压选择开关K1、箝位反馈选择开关K2实现各种工作模式的切换； 

在DA接口逻辑模块中，来自CPU的写信号和地址译码器输出的两路选择信号分别输入与门，当其中启动DA选择信号为高电平、写信号输出高电平时，使能启动DA数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，然后作为启动DA命令输出给相应的DAC；当其中启动DA数据选择信号为高电平、写信号输出高电平时，使能DA数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，并存入16位移位寄存器中，然后作为DA数据输出给相应的DAC；所述DA接口逻辑模块有四个，分别对应施加DAC、箝位DAC、上限DAC、下限DAC； 

在AD接口逻辑模块中，来自CPU的写信号和地址译码器输出的AD启动选择信号输入与门，当都为高电平时输出高电平，使能模式数据锁存器，锁存来自CPU的数据D₀～D₁₆，然后作为启动AD命令输出给AD转换器；读信号和地址译码器输出的读AD选择信号输入另一与门，使能三态门，接收16移位寄存器中的AD数据，AD数据来自AD转换器，通过AD数据锁存器存入16移位寄存器中； 

在判读逻辑模块中，来自CPU的读信号和地址译码器输出的判断逻辑选择信号输入与门，当都为高电平时输出高电平，使能三态门，读取来自测量电路的上限比较结果或下限比较结果。 

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