CN110456144A - 一种用于测试设备的nA级电流测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测试设备的nA级电流测量***,本发明具有成本低、精度高、体积小、易扩展的特点。本发明包括电流采样电阻电路、运放电路、模拟数字装换器、控制器及通信电路、电源电路；所述运放电路的信号输入端与所述电流采样电阻电路相连接，所述运放电路的信号输出端与所述模拟数字装换器的信号输入端相连接，所述模拟数字装换器的信号输出端与所述控制器及通信电路相连接，所述电源电路为所述运放电路和所述模拟数字装换器提供电源。本发明应用于测试设备的nA级电流测量***的技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流测量***,特别涉及一种用于测试设备的nA级电流测量***。
背景技术
穿戴医疗产品，无线通信产品，无线传感器产品飞速发展，待机时间影响着产品的市场竞争力，降低功耗是各大产品的发展方向。为了确保产品质量，工作模式（mA级别）、待机模式（μA级别）、休眠模式（μA级别）、出货模式（nA级别）的电流测量一直是IQC/ICT/FCT设备中不可缺少的组成部分。
同时，国家正在大家发展芯片产业，芯片测试设备中有大量的nA级待机电流、漏电流需要测试。
此外，随着光学元器件（距离传感器、人脸识别传感器等）的大规模应用，光学检测设备需求量大增，而PD光电二极管是光学元器件检测最常用的方法，通过测量PD的电流来计算出光学参数。
另外，随着生物电/电化学技术的发展，现在越来越多的电化学传感器、生物电传感器、材料分析传感器都通过微弱电流来表征外部信号，这就需求更多的nA级电流测量方案来分析传感器输出信号，从而得出准确结果。
可见，对于nA级电流的测量目前采用的技术如下
1、使用DMM，如Keysight 34465A来完成nA级别电流测量；
2、使用Picoam Meter，如Keithley 6487-901-01来完成nA级别电流测量；
3、使用SMU，如Keithley 2601B 来完成nA级别电流测量；
4、使用半导体测试仪，如Keysight B1500A来完成nA级别电流测量。
使用上述nA级电流的测量技术具有如下缺点：以上四种方案都是使用标准仪器，成本高，价格动辄几万甚至十几万，很难在批量生产的设备/平台中广泛应用；同时测试效率低，通过GPIB/USB/TCP和上位机通信，测量一个电流至少需要0.5S；而且体积大，集成度低，不适合在电子产品测试设备中使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种用于测试设备的nA级电流测量***,所述用于测试设备的nA级电流测量***具有成本低、精度高、体积小、易扩展的特点，用于替代标准DMM表/Picoam Meter/SMU/半导体测试仪，解决这些标准仪器成本高，测试效率低，体积大，集成困难等问题，从而广泛应用于电子/芯片测试设备中，准确测量微弱电流参数，保证产品质量。
本发明所采用的技术方案是：本发明包括电流采样电阻电路、运放电路、模拟数字装换器、控制器及通信电路、电源电路；所述运放电路的信号输入端与所述电流采样电阻电路相连接，所述运放电路的信号输出端与所述模拟数字装换器的信号输入端相连接，所述模拟数字装换器的信号输出端与所述控制器及通信电路相连接，所述电源电路为所述运放电路和所述模拟数字装换器提供电源。
进一步，所述电流采样电阻电路包括第一继电器、第二继电器、第一采样电阻、第二采样电阻，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻并联设置，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻均与所述第一继电器串联，所述第一采样电阻和所述第二采样电阻均与所述第二继电器并联。
进一步，所述运放电路采用两片型号为MAX4239的集成电路芯片连接进行两级放大。
进一步，所述模拟数字装换器为24Bits精密ADC。
进一步，所述电源电路包括低噪声线性稳压器和精密电压基准电路；所述低噪声线性稳压器的输出噪声为20uVrms，给所述运放电路及所述模拟数字装换器供电；所述精密电压基准电路的输出噪声小于1uVp-p，初始电压精度0.02%，温飘系数 2ppm/℃，为所述模拟数字装换器提供基准电压。
进一步，所述控制器及通信电路包括微控制器、上位机、数据存储电路；所述微控制器通过SPI控制所述模拟数字装换器并完成电压读取，通过IO口控制电流量程选择，通过USB接口和所述上位机通信；所述数据存储电路通过I2C总线与所述微控制器连接。
本发明的有益效果是：
1、成本低，相比LCR表或者网络分析仪动辄十万人民币以上的价格，该方案BOM成本在300人民币以内；
2、体积小，相比DMM或SMU动辄L*W*H=400mm*400mm*200mm以上的体积，该方案板卡尺寸仅L*W*H=40mm*60mm*10mm；
3、***测量精度最高可达0.1%，尽管测量范围比不上DMM或SMU，但是1nA~1mA测量范围可以满足绝大部分测试设备和分析设备要求；
可见本发明使用低成本、小体积的***方案实现了1nA~1mA范围内的高精度电流测量，给电子产品测试设备，芯片测试设备，光电分析仪器提供了一种高性价比的微弱电流测量方案，从而实现大规模应用推广。
附图说明
图1是本发明的***方案框图；
图2是电流采样精密电阻电路图；
图3是低偏置电流/低噪声精密运放电路图；
图4是MAX4239芯片输入偏置电流图；
图5是采样电阻及放大电路仿真结果示意图；
图6是24Bits精密ADC电路图；
图7是低噪声电源电路图。
术语解释：
IQC：Incoming Quality Check，来料质量检验；
ICT: In circuit tester，在线测试设备；
FCT：Function Circuit Test，功能电路测试；
DMM：Digital Multi Meter，数字万用表；
Picoam meter：皮安表；
OP：Operational Amplifier 运算放大器；
MCU：Micro Control Unit，微控制器；
EEPROM：electrically erasable programmable read-only memory，电可擦可编程只读存储器；
I2C：又称IIC，Inter-Integrated Circuit，集成电路总线，是芯片之间常用的一种通信协议；
ADC：Analog to digital converter，模拟数字转换器；
SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口；
SMU：Source Meter Unit，源表；
PD：Photo Diode ，光电二极管。
具体实施方式
在本实施例中，如图1所示，所述一种用于测试设备的nA级电流测量***包括电流采样电阻电路1、运放电路2、模拟数字装换器3、控制器及通信电路4、电源电路5；所述运放电路2的信号输入端与所述电流采样电阻电路1相连接，所述运放电路2的信号输出端与所述模拟数字装换器3的信号输入端相连接，所述模拟数字装换器3的信号输出端与所述控制器及通信电路4相连接，所述电源电路5为所述运放电路2和所述模拟数字装换器3提供电源，所述电流采样电阻电路1为电流采样精密电阻电路，所述运放电路2为低偏置电流/低噪声精密运放电路，所述模拟数字装换器3为24Bits精密ADC，所述电源电路5是低噪声电源电路。
1、电流采样精密电阻电路
精密电阻将流过的自身的电流转换成电压信号；
2、低偏置电流/低噪声精密运放电路
精密运放将采样电阻转换出来的电压进行放大；
3、24Bits精密ADC
精密ADC将模拟电压信号进行模拟—数字转换；
4、低噪声电源电路
电源电路给整个***提供低噪声电源和精密电压基准；
5、控制器及通信电路
控制器通过USB接口和上位机***沟通，通过切换采样电阻来选择电流测量量程，控制ADC芯片采集电流数据并进行分析、处理、计算、校正，最后将准确测量结果通过USB接口返回给上位机。
A. 电流采样精密电阻电路,如图2所示，当Range_sel信号等于+5V（默认状态）时，继电器K1，K2选择采样电阻R2，阻值10R，测量范围1uA~1mA，电压输出范围10uV~10mV；当Range_sel信号等于0V时，继电器K1，K2选择采样电阻R1，阻值10K，测量范围1nA~1uA，电压输出范围10uV~10Mv.。
为了提高测量精度，采样电阻一定要选择优于0.1%精度，且低温飘的。
B. 低偏置电流/低噪声精密运放电路，如图3所示，
R5，U1，R1，R2，C1组成了第一级电压放大电路，放大倍数10倍；
R7，U2，R3，R4，C2组成了第二级电压放大电路，放大倍数10倍；
这两级放大电路组合起来，电压信号被放大100倍，结合图2中采样电阻的电压-电流转换关系
当电流为1uA~1mA时，放大电路输出电压为：1mV~1V；
当电流为1nA~1uA时，放大电路输出电压为：1mV~1V；
此电路要特别注意的是一定要选择低偏置电流精密运放，此方案要测量nA级电流，运放偏置电流必须选择pA级的，我们选择Maxim公司的MAX4239，该芯片输入偏置电流只有1~2pA，从芯片规格书上截图如下图4所示。
如图5所示，用仿真软件搭建了“电源源模拟+采样电阻+放大电路”电路，I1（10nA）电流经过10K采样电阻后转换出来的电压是100uV（XMM3所示）以上电路后输出电压为10mv（XXM1所示），和理论计算完全一致。
C、24Bits精密ADC，如图6所示，U6是ADI公司推出24Bits精密ADC，最高采样率31.25Ksps，通过SPI接口和控制器通信，完成电压信号的模拟-数字转换。
D、低噪声电源电路，如图7所示，U33是低噪声线性稳压器，其输出噪声只有20uVrms，给运放电路及ADC供电；U31是精密电压基准，其输出噪声小于1uVp-p，初始电压精度0.02%，温飘系数 2ppm/℃，为ADC提供基准电压。
E、控制器及通信电路
如图1所示，该部分由如下三部分组成：
1）微控制器，通过SPI控制ADC完成电压读取，通过IO口控制电流量程选择，通过USB接口和上位机通信，选择ST公司推出的STMF103即可满足要求；
2）通信部分，是nA级电流测量板卡和上位机之间的桥梁，选择FTDI公司推出的USB转UART芯片可以完成USB通信；
3）存储部分，用于保存板卡硬件/软件信息，校准信息。
本发明应用于用于测试设备的nA级电流测量***的技术领域。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。
Claims (6)
1.一种用于测试设备的nA级电流测量***，其特征在于：所述一种用于测试设备的nA级电流测量***包括电流采样电阻电路（1）、运放电路（2）、模拟数字装换器（3）、控制器及通信电路（4）、电源电路（5）；所述运放电路（2）的信号输入端与所述电流采样电阻电路（1）相连接，所述运放电路（2）的信号输出端与所述模拟数字装换器（3）的信号输入端相连接，所述模拟数字装换器（3）的信号输出端与所述控制器及通信电路（4）相连接，所述电源电路（5）为所述运放电路（2）和所述模拟数字装换器（3）提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的nA级电流测量***，其特征在于： 所述电流采样电阻电路（1）包括第一继电器（K1）、第二继电器（K2）、第一采样电阻（R1）、第二采样电阻（R2），所述第一采样电阻（R1）和所述第二采样电阻（R2）并联设置，所述第一采样电阻（R1）和所述第二采样电阻（R2）均与所述第一继电器（K1）串联，所述第一采样电阻（R1）和所述第二采样电阻（R2）均与所述第二继电器（K2）并联。
3.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的nA级电流测量***，其特征在于：所述运放电路（2）采用两片型号为MAX4239的集成电路芯片连接进行两级放大。
4.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的nA级电流测量***，其特征在于：所述模拟数字装换器（3）为24Bits精密ADC。
5.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的nA级电流测量***，其特征在于：所述电源电路（5）包括低噪声线性稳压器（U33）和精密电压基准电路（U31）；所述低噪声线性稳压器（U33）的输出噪声为20uVrms，给所述运放电路（2）及所述模拟数字装换器（3）供电；所述精密电压基准电路（U31）的输出噪声小于1uVp-p，初始电压精度0.02%，温飘系数 2ppm/℃，为所述模拟数字装换器（3）提供基准电压。
6.根据权利要求1所述的一种用于测试设备的nA级电流测量***，其特征在于：所述控制器及通信电路（4）包括微控制器（41）、上位机（42）、数据存储电路（43）；所述微控制器（41）通过SPI控制所述模拟数字装换器（3）并完成电压读取，通过IO口控制电流量程选择，通过USB接口和所述上位机（42）通信；所述数据存储电路（43）通过I2C总线与所述微控制器（41）连接。
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