CN107561339B - 嵌套式安培表 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及嵌套式安培表。一种用于测量流过被测设备（DUT）的电流的嵌套式安培表可以包括输入端，其被配置成接收具有频带内的频率且表示流过DUT的电流的输入信号。该嵌套式安培表还可以包括输出端，其被配置成生成表示流过DUT的电流的输出电压的。有源分流器可以被用作安培表的电阻性反馈。嵌套有源分流器可以被用作有源分流器的电阻性反馈元件。

Description

嵌套式安培表
技术领域
所公开的技术一般涉及电气测量设备，并且特别地涉及用于在测量电流时使用的安培表。
背景技术
安培表常常是包括数字万用表（DMM）和源测量单元（SMU）的电气测量产品的子部件。存在可以以其来测量通过被测设备（DUT）的电流的若干种方式。SMU通常被用来在许多领域（包括半导体产品的测试）中做出精确测量。典型的SMU设计包括具有集成的电压和电流测量能力的电压或电流源。被测设备（DUT）通常被耦合至SMU并且然后利用电压或电流源来激励该被测设备（DUT）。
存在可以以其来测量通过DUT的电流的若干种方式。例如，分流安培表可被用来简单地感测跨电阻器RS两端的电压。RS必须保持很小以便不会对输入信号造成很大的负担电压。通常需要低噪声增益级来放大负担电压以使得它可以被测量。
大多数常见的安培表之一是反馈式安培表。图1图示了典型的反馈式安培表100的一个示例，该反馈式安培表100被配置有高增压运算放大器（op-amp）A以通过电阻器RS来上拉输入端102。该op-amp A因为其高DC增益（例如通常大于1百万）而将负担电压保持为很低。这允许RS更大，由此允许输出信号104更大。
然而，反馈式安培表具有的重要问题在于在具有电容性负载的情况下它通常倾向于不稳定。已经开发了被称为有源分流器的反馈式安培表的一个变体，在其中从DC到op-amp的带宽ω1的输入阻抗是电阻性的。
有源分流安培表配置通常利用固定增益放大器来替换在反馈式安培表中使用的op-amp。结果是对较高频率而言恒定的增益。在放大器开始转降（roll off）的频率处，电容器阻抗（1/jωCs）被设计成具有等于RS的幅值。RS和Cs的并联阻抗的转降与放大器的增益的转降相结合导致了安培表的跨越放大器的整个带宽恒定的输入阻抗。结果是像具有比传统分流安培表更高的输出信号对比负担电压的关系的安培表那样的分流器并且不存在反馈式安培表的稳定性问题。
图2A图示了有源分流安培表设计200，其跨并联RC反馈元件202两端使用受控负增益以使得电路的输入阻抗是等于R除以增益的电阻。在该示例中，有源分流安培表200包括固定增益差分放大器208，其具有连接在该固定增益差分放大器208的负输入端子和输出端子之间的并联电阻器204和电容器206。电阻器204和电容器206的RC积被选择为等于放大器的增益-带宽除以固定增益。
图2B是示出固定增益放大器208的增益B(s)以及其他参数的图表。一般而言，固定增益放大器208的增益B(s)（由参考数字250示出）从DC一直到目标频率252都基本上保持恒定。一旦达到目标频率252,固定增益放大器208的增益B(s)就例如以每10倍（per decade）的20db来滚降。在该示例中，图2A中的运送放大器210具有比B(s)高得多的增益A(s)。然而，运算放大器212在反馈路径中起到产生用于固定增益放大器208的复合增益B(s)的反相器的作用。该配置跨并联RC反馈元件204、206两端提供受控的负增益，以使得该电路的输入阻抗是等于RS除以增益的电阻。
在图2A中，ωt是运算放大器210的增益带宽。图2A中还示出的是在所示的频率上保持恒定的电阻器204的电阻（Rs）。图2A中还示出的是有源分流安培表200的输入阻抗Zin。一般来说，输入阻抗Zin被配置成明显小于RS并且对于小于和等于ωt的频率来说看起来本质上是电阻性的。在该示例中，Zin = Rs * (R1/(R1+R2))并且Cs ~ R2/(ωt*Rs*R1)。
如果反馈元件202仅是电阻性的（即如果电容器206被省略），则输入阻抗Zin将在目标频率252之后随着频率而增加。电容器206的阻抗可被选择为等于电阻器在目标频率252处的阻抗。这促使反馈元件202的阻抗在运算放大器210开始转降的同一频率处下降。如图2B中所示，该配置产生了在目标频率252之后不会增加的平坦输入阻抗。
发明内容
所公开的技术的某些实施方式包括一种用于测量流过被测设备（DUT）的电流的嵌套式安培表。该嵌套式安培表可以包括输入端，其被配置成接收具有频带内的频率且表示流过DUT的电流的输入信号。输出端可以被配置成生成表示流过DUT的电流的输出电压。
所公开的技术的某些实施方式包括一种测量流过被测设备（DUT）的电流的方法，其包括接收具有频带内的频率且表示流过DUT的电流的输入信号。该方法还可以包括生成表示流过DUT的电流的输出电压。
附图说明
图1图示了配置有高增益op-amp以通过电阻器RS上拉输入电路的反馈式安培表的一个示例。
图2A图示了跨并联RC反馈元件两端使用受控负增益的有源分流安培表设计的一个示例。
图2B是示出由图2A图示的有源分流安培表的固定增益放大器的增益B(s)的图表。
图3图示了根据所公开的技术的某些实施例的反馈式安培表设计的一个示例，在该示例中有源分流器被用作电阻性反馈元件。
图4图示了根据所公开的技术的某些实施例的将第二有源分流器用作其电阻性反馈元件的具有有源分流器的嵌套式安培表的一个示例。
图5图示了根据所公开的技术的某些实施例的使用三个有源分流器的嵌套式安培表的一个示例，其中第一有源分流器是第二有源分流器的反馈，该第二有源分流器是第三有源分流器的反馈。
图6图示了根据所公开的技术的某些实施例的嵌套式安培表的一个示例，在示例中一个有源分流器是另一有源分流器的电阻性元件，其中两个有源分流器共享电源。
具体实施方式
所公开的技术的实施例一般地涉及电气测量设备，并且更特别地，涉及适合于在测量电流时使用的嵌套式安培表。
图3图示了根据所公开的技术的某些实施例的反馈式安培表设计300的一个示例，在该示例中有源分流器302被用作电阻性反馈元件。对于相同值的感测电容器来说，该配置通常导致更稳定的性能。
图4图示根据所公开的技术的某些实施例的嵌套式安培表配置400的第一示例。在该示例中，有源分流器404可以将另一有源分流器402用作其反馈电阻。这导致具有降低的输入电阻的安培表（即电流到电压转换器）。也就是说，当前感测电阻器按两个有源分流器环路402、404的增益来降低。例如，如果每个有源分流器具有100的环路增益，则对输入来说当前感测电阻器Rs表现为Rs / (100×100)。结果是非常低输入阻抗的安培表，其对几乎任何大小的电容性负载都是稳定的。因此，在该示例中，Zin = Rs/(100×100)。
可以采用甚至进一步具有附加嵌套级的实施方式的此类配置。例如，图5图示了根据所公开的技术的某些实施例的嵌套式安培表配置500的第二示例，在该第二示例中有源分流器502被嵌套在另一有源分流器504内，该另一有源分流器504被嵌套在又一有源分流器506中。本领域普通技术人员将会认识到，这样的有源分流器的嵌套可以按照几乎任何阶次来进行。如果每个有源分流器具有100倍的增益并且Rs是有源分流器#1的反馈中的实际电阻器，则Zin = Rs/(100×100×100)。
图6图示了根据所公开的技术的某些实施例的嵌套式安培表600的一个示例，在该示例中有源分流器602是另一有源分流器604的电阻性元件，其中两个有源分流器602、604共享电源。在该示例中，Zin = Rin = Rs /k1k2，其中k1和k2是有源分流器的增益。
已经参考所图示的实施例描述和说明了本发明的原理，将会认识到，在不偏离这些原理的情况下可以在布置和细节上修改所说明的实施例，并且可以以任何期望方式来组合所说明的实施例。并且，尽管前面的讨论都集中在特定实施例上，但是可设想其他配置。
特别地，尽管在本文中使用了诸如“根据本发明的一个实施例”或诸如此类的表达，但是这些短语意指一般地引用实施例可能性，并且不意图将本发明限于特定实施例配置。如本文所使用的，这些术语可以引用可结合到其他实施例中的相同或不同实施例。
因此，鉴于对本文中所述的实施例的各种各样的置换，该详细描述和所附材料意图仅是说明性的，并且不应该被理解为限制本发明的范围。因此，本发明所要求保护的是可以出自所附权利要求及其等同方式的范围和精神内的所有这样的修改。

Claims (11)

1.一种用于测量流过被测设备DUT的电流的嵌套式安培表，该嵌套式安培表包括：
输入端，其被配置成接收具有频带内的频率且表示流过DUT的电流的输入信号；
输出端，其被配置成生成表示流过DUT的电流的输出电压；
第一运算放大器（op-amp），其被电气耦合在该输入端和输出端之间；以及
第一有源分流器，其与该第一运算放大器 电气耦合并且被用作安培表的电阻性反馈元件，其中该第一有源分流器包括第二运算放大器，且其中该第一有源分流器包括第二有源分流器，其与第二运算放大器电气耦合并且被用作用于所述第一有源分流器的电阻性反馈元件。
2.根据权利要求1所述的嵌套式安培表，进一步包括与第一有源分流器并联电气耦合的电容器。
3.根据权利要求1所述的嵌套式安培表，其中该第二有源分流器包括第三运算放大器。
4.根据权利要求1所述的嵌套式安培表，进一步包括与第二有源分流器并联电气耦合的电容器。
5.根据权利要求3所述的嵌套式安培表，其中该第二有源分流器包括第三有源分流器，其与第三运算放大器 电气耦合并且被用作用于第二有源分流器的电阻性反馈元件。
6.根据权利要求5所述的嵌套式安培表，其中该第三有源分流器包括第四运算放大器。
7.根据权利要求5所述的嵌套式安培表，进一步包括与第三有源分流器并联电气耦合的电容器。
8.根据权利要求1所述的嵌套式安培表，其中该第一有源分流器和第二有源分流器共享公共电源。
9.一种用于测量流过被测设备DUT的电流的嵌套式安培表，该嵌套式安培表包括：
输入端，其被配置成接收具有频带内的频率且表示流过DUT的电流的输入信号；
输出端，其被配置成生成表示流过DUT的电流的输出电压；
第一运算放大器（op-amp），其被电气耦合在该输入端和输出端之间；
第一有源分流器，其与该第一运算放大器 电气耦合并且被用作用于安培表的电阻性反馈元件；以及
该第一有源分流器内的n个嵌套有源分流器，其中每一个属于比另一嵌套有源分流器更高的一个阶次的嵌套有源分流器都被用作用于该另一嵌套有源分流器的电阻性反馈元件。
10.根据权利要求9所述的嵌套式安培表，进一步包括与第一有源分流器并联电气耦合的第一电容器。
11.根据权利要求10所述的嵌套式安培表，进一步包括n个电容器，每一个电容器都被用作用于对应的嵌套有源分流器的反馈元件。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11085951B2 (en) * 2018-05-03 2021-08-10 Keithley Instruments, Llc Non-linear active shunt ammeter
US11668733B2 (en) * 2018-11-09 2023-06-06 Keithley Instruments, Llc Multi-stage current measurement architecture

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1601062A (en) * 1978-02-01 1981-10-21 Univ Monash Negative-feedback amplifier
US4559502A (en) * 1984-04-19 1985-12-17 Signetics Corporation Multi-stage amplifier with capacitive nesting for frequency compensation
JPH0691387B2 (ja) * 1991-03-30 1994-11-14 株式会社クボタ 電荷増幅器
US5880827A (en) * 1997-11-11 1999-03-09 Raytek Subsidiary, Inc., Measurement System with large dynamic range
US6429641B1 (en) * 2000-05-26 2002-08-06 International Business Machines Corporation Power booster and current measuring unit
DE10054540B4 (de) * 2000-11-03 2004-09-23 Xignal Technologies Ag Verstärkerschaltung, insbesondere Leitungstreiber und Verfahren zur Verstärkung eines Signals, insbesondere Verfahren zum Treiben eines Leitungssignals
US7276965B1 (en) * 2001-03-13 2007-10-02 Marvell International Ltd. Nested transimpedance amplifier
US7551024B2 (en) 2001-03-13 2009-06-23 Marvell World Trade Ltd. Nested transimpedance amplifier
AU2003288599A1 (en) * 2002-12-18 2004-07-09 Koninklijke Philips Electronics N.V. Phase corrected miller compensation of chopper and nested chopper amplifiers
US7023271B1 (en) * 2004-03-31 2006-04-04 Marvell International Ltd. Variable-gain constant-bandwidth transimpedance amplifier
WO2006074092A1 (en) * 2005-01-05 2006-07-13 Rensselaer Polytechnic Institute High precision voltage source for electrical impedance tomography
US7292098B2 (en) * 2005-11-04 2007-11-06 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte Ltd Operational amplifier
CN101005271B (zh) * 2006-01-18 2012-04-18 马维尔国际贸易有限公司 嵌套互阻抗放大器
US7842174B2 (en) * 2006-06-12 2010-11-30 Utah State University Electrochemical chip with miniaturized sensor array
US7423480B2 (en) * 2006-11-13 2008-09-09 National Instruments Corporation AC amplifier for precision measurement
US7923985B2 (en) * 2008-05-01 2011-04-12 Keithley Instruments, Inc. Active autoranging current sensing circuit
US8009071B2 (en) * 2009-12-11 2011-08-30 Zoran Corporation Gain circuit
TWI436069B (zh) * 2010-01-15 2014-05-01 Hon Hai Prec Ind Co Ltd 電源供應器電流量測裝置
EP2849340A1 (en) * 2011-09-01 2015-03-18 NF Corporation Amplifier circuit
US9274145B2 (en) * 2012-10-22 2016-03-01 Tektronix, Inc. Active shunt ammeter apparatus and method
CN103036517A (zh) * 2012-12-19 2013-04-10 天津大学 一种dB线性可变增益放大器
US9453880B2 (en) * 2014-01-24 2016-09-27 Keithley Instruments, Inc. Active shunt source-measure unit (SMU) circuit
JP6270002B2 (ja) 2014-05-21 2018-01-31 株式会社村田製作所 擬似抵抗回路及び電荷検出回路

Also Published As

Publication number Publication date
US20180003741A1 (en) 2018-01-04
JP7093616B2 (ja) 2022-06-30
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US10663490B2 (en) 2020-05-26
JP2018007258A (ja) 2018-01-11
EP3264106A1 (en) 2018-01-03

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