CN104297551A

CN104297551A - 一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统

Info

Publication number: CN104297551A
Application number: CN201410502198.3A
Authority: CN
Inventors: 郑世棋; 梁法国; 王一帮; 乔玉娥; 翟玉卫; 刘岩; 吴爱华
Original assignee: CETC 13 Research Institute
Current assignee: CETC 13 Research Institute
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: CN104297551B

Abstract

本发明公开了一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统，涉及半导体器件直流电流特性测量技术领域。包括数字多用表、高值电阻/短路器、线性稳压电源和有源校准适配器，所述有源校准适配器的电阻信号输入端与所述高值电阻/短路器连接，所述有源校准适配器的电阻电压信号输出端与所述数字多用表连接，所述有源校准适配器的电源信号输入端与所述线性稳压电源连接。所述有源校准适配器并设有皮纳安级直流电流源电流信号输入端接口。本发明解决了现有技术的使用局限性（仅适用于具有保护端子输出的微小电流）和测量误差大（默认保护端电压与高值电阻电压相等，默认保护端输出没有线性度）等问题，具有很高的市场推广价值。

Description

一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统

技术领域

本发明涉及半导体器件直流电流特性测量技术领域。

背景技术

微小电流测量过程中面临诸多问题：易受环境条件、连接电缆、测试夹具、电磁环境、阻抗匹配、噪声等因素的影响。因此，如何对微小电流进行高精度的校准，保障其量值准确可靠是当下的一个研究课题。微小电流参数的量值准确可靠是进行测试的先决条件，作为半导体测试领域关键参数，皮纳安级直流电流校准存在的问题如下：

（1）采用间接测量方法，一般用到GΩ级高值标准电阻（1GΩ、10GΩ和100GΩ及以上），常规的数字多用表受限于其输入阻抗（一般最高为10GΩ量级，如Fluke 8508A），无法精确测量标准电阻两端的电压，导致微小电流测量误差较大（以高值标准电阻RS 为1GΩ为例，数字多用表8508A输入阻抗Rin为10GΩ，则由阻抗不匹配带入的误差为9.09%，此指标远远大于数字多用表0.0006%的准确度）；虽有6430这样的超高输入阻抗(10¹⁵Ω)的数字源表，但其电压测量准确度不满足要求（指标仅为±0.08%）。目前尚没有输入阻抗和电压测量准确度均满足要求的数字电压表。

（2）目前，普遍采用无源适配器方法来测量高值标准电阻电压，其本质是利用了与微小电流高端HI（也是高阻电压端）近似等电位的保护端子Guard（低输出阻抗点）来实现测量。但这种方法存在以下问题：

1）、适用范围极其有限：对于没有保护端子的皮纳安级电流（如航天科技公司514所的5144、Keithley公司的6517B）不适用，本质是没有解决高源内阻电压到低输出阻抗电压的等效变换；

2）、测量准确度低：由于组成仪器本身的器件不理想，导致保护端子与实际的高阻端电压偏差1.0mV左右并且不同仪器相差不等，无源适配器单纯使用保护端子电压替代高阻两端电压，引起测量误差。

3）、默认保护端子电压输出的增益为一定值，事实上，保护端电路对应不同范围的输入电压具有一定的线性度，即增益不为一定值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统，可实现高源内阻的电压到低输出阻抗电压的等效变换，拓展了微小电流测量的使用范围，适用于具有保护端和不具有保护端的微小电流源；测量准确，使用方便。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种皮安纳安级直流电流源高精度校准系统，包括数字多用表、高值电阻/短路器、线性稳压电源和有源校准适配器，所述有源校准适配器的电阻信号输入端与所述高值电阻/短路器连接，所述有源校准适配器的电阻电压信号输出端与所述数字多用表连接，所述有源校准适配器的电源信号输入端与所述线性稳压电源连接。，所述有源校准适配器并设有皮纳安级直流电流源电流信号输入端接口。

优选的，所述有源校准适配器的电路为阻抗变换电路：包括运算放大器U1、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3、C4、接线端子JP1、JP2、JP3；所述运算放大器U1为INA116，运算放大器U1的引脚1经电阻R2与引脚16连接；运算放大器U1的引脚2与引脚4并接后与接线端子JP2的引脚4连接，运算放大器U1的引脚5与引脚7并接后与接线端子JP2的引脚2连接，运算放大器U1的引脚8与接线端子JP1的引脚3连接，运算放大器U1的引脚9经电阻1与接线端子JP2的引脚1连接，接线端子JP3引脚1和引脚2并接后与运算放大器U1的引脚11连接，运算放大器U1的引脚13与接线端子JP1引脚1连接，接线端子JP3的引脚3与运算放大器U1的引脚9和电阻R1的结点连接，接线端子JP1的引脚2与运算放大器U1的引脚9和电阻R1的结点连接，电容C1、C2并接后一端与运算放大器U1的引脚13和接线端子JP1引脚1的结点连接，另一端接地，电容C3、C4并接后一端与运算放大器U1的引脚8和接线端子JP1引脚3的结点连接，另一端接地。

优选的，所述有源校准适配器的电流信号输入端包括电流信号输入端J1和电流信号输入端J2，所述有源校准适配器的电阻信号输入端包括电阻信号输入端J3和电阻信号输入端J4，所述有源校准适配器的电阻电压信号输出端包括电阻电压信号输出端J5和电阻电压信号输出端J6，所述有源校准适配器的电源信号输入端为电源信号输入端J7，且均设置在所述有源校准适配器的金属外壳外表面；电流信号输入端J1、电流信号输入端J2、电阻信号输入端J3为三同轴面板安装式插座，电阻信号输入端J4为同轴面板安装式插座，电阻电压信号输出端J5、电阻电压信号输出端J6为面板安装式香蕉头插座，电源信号输入端J7为四芯航空插头插座；电流信号输入端J1的芯线与U1的引脚6浮地连接，电流信号输入端J1的内层屏蔽与JP2的引脚2连接，电流信号输入端电流信号输入端J1的外层屏蔽与U1的引脚3浮地连接，并与金属外壳直接接触，电阻信号输入端J3的芯线与U1的引脚6浮地连接，电阻信号输入端J3的内层屏蔽与电流信号输入端J1的内层屏蔽连接，电阻信号输入端J3的外层屏蔽与金属外壳连接，电阻信号输入端J4的芯线与所述U1的引脚3浮地连接，电阻信号输入端J4的外层屏蔽与金属外壳连接，电阻电压信号输出端J5通过跳线与JP3的引脚1或引脚2连接，电阻电压信号输出端J6通过跳线与JP3的引脚3连接，电源信号输入端J7的引脚1、引脚2、引脚3与JP1的引脚1、引脚2、引脚3依次连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明选用输入阻抗高、输入偏置电流小并且稳定性好的的仪表运算放大器作为整个有源直流电流校准适配器电路的核心，实现高源内阻电压到低输出阻抗电压的等效变换；仪表运算放大器内嵌的保护输出端子可减少连接电缆等带来的泄漏电流的影响；为了减少微小电流测量过程中PCB电路板的泄漏电流，采用了“浮地连接”技术，即仪表运算放大器的同相和反相输入端浮空，与微小电流的HI、Lo连接；采用低纹波的直流线性稳压电源结合滤波电路供电，最大程度地消除电源带来的干扰。2、分析了有源直流电流校准适配器的直流误差来源，并确定了主要误差的大小，建立了精确提取高值电阻两端电压数学模型。考虑到有源直流电流校准适配器线性度，对10mV～1V范围内的特定输入电压情况下有源校准适配器的增益进行了准确定标。3、为了减少连接电缆等带来的测量误差，选用当前兼具屏蔽功能和高绝缘性能的三同轴电缆、三同轴面板插座、同轴电缆和同轴面板插座。整个PCB电路版放置在封闭的金属屏蔽壳内，通过三同轴、两同轴的插座和航空插头插座与外界相连，整个电路的信号地、电源地与金属壳相连，符合法拉第电磁屏蔽特点，具有较好的屏蔽效能。建立仪表运算放大电路的直流误差模型，通过一定运算得到有源直流电流校准适配器输出的真实电压，减少仪表运算放大器不理想带来的测量误差；然后对有源直流电流校准适配器的增益进行定标；最后反推得到高值电阻电压。解决了现有技术的使用局限性（仅适用于具有保护端子输出的微小电流）和测量误差大（默认保护端电压与高值电阻电压相等，默认保护端输出没有线性度）等问题，满足了市场上商用的微小电流源的测量工作，还可以通过一定的传递标准实现微小电流表的精确测量。

附图说明

图1是本发明电路原理示意图；

图2是本发明有源校准适配器的结构示意图；

图3是本发明有源校准适配器的电路图；

图4是本发明运算放大器的直流误差模型；

其中，1金属外壳，2电流信号输入端J1，3电流信号输入端J2，4电阻信号输入端J3，5电阻信号输入端J4，6电阻电压信号输出端J5，7电阻电压信号输出端J6，8电源信号输入端J7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明是一种皮安纳安级直流电流源高精度校准系统，包括数字多用表、高值电阻/短路器、线性稳压电源和有源校准适配器，所述有源校准适配器的电阻信号输入端与所述高值电阻/短路器连接，所述有源校准适配器的电阻电压信号输出端与所述数字多用表连接，所述有源校准适配器的电源信号输入端与所述线性稳压电源连接。，所述有源校准适配器并设有皮纳安级直流电流源电流信号输入端接口。

如图2所示，本发明的有源校准适配器包括电流信号输入端J1、J2，电阻信号输入端J3、J4，电阻电压信号输出端J5、J6，电源信号输入端J7，且均设置在所述有源校准适配器的金属外壳1外表面；J1、J2、J3为三同轴面板安装式插座，J4为同轴面板安装式插座，J5、J6为面板安装式香蕉头插座，J7为四芯航空插头插座。

如图3所示，本发明的有源校准适配器内部设有阻抗变换电路，包括运算放大器U1、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3、C4、接线端子JP1、JP2、JP3；所述运算放大器U1为INA116，运算放大器U1的引脚1经电阻R2与引脚16连接；运算放大器U1的引脚2与引脚4并接后与接线端子JP2的引脚4连接，运算放大器U1的引脚5与引脚7并接后与接线端子JP2的引脚2连接，运算放大器U1的引脚8与接线端子JP1的引脚3连接，运算放大器U1的引脚9经电阻1与接线端子JP2的引脚1连接，接线端子JP3引脚1和引脚2并接后与运算放大器U1的引脚11连接，运算放大器U1的引脚13与接线端子JP1引脚1连接，接线端子JP3的引脚3与运算放大器U1的引脚9和电阻R1的结点连接，接线端子JP1的引脚2与运算放大器U1的引脚9和电阻R1的结点连接，电容C1、C2并接后一端与运算放大器U1的引脚13和接线端子JP1引脚1的结点连接，另一端接地，电容C3、C4并接后一端与运算放大器U1的引脚8和接线端子JP1引脚3的结点连接，另一端接地。所述J1的芯线与U1的引脚6浮地连接，所述J1的内层屏蔽与JP2的引脚2连接，所述J1的外层屏蔽与U1的引脚3浮地连接，并与金属壳体直接接触，所述J3的芯线与U1的引脚6浮地连接，所述J3的内层屏蔽与J1的内层屏蔽相连，所述J3的外层屏蔽与金属外壳连接（直接接触），所述J4的芯线与所述U1的引脚3浮地连接，所述J4的外层屏蔽与金属外壳连接（直接接触），所述J5通过跳线与JP3的引脚1或引脚2连接，所述J6通过跳线与JP3的引脚3连接，所述J7的引脚1、引脚2、引脚3与JP1的引脚1、引脚2、引脚3依次连接。INA116可实现两路高值电压差模电压的测量，由于本路中高值电压仅为一路，所以只采用了J1。J2芯线原本可连接外部电路中另一高值电阻电压并送入U1的引脚3，再利用U1引脚4（JP2的引脚Guard1）实现降低泄漏电流的作用。但此电路高值电阻电压HI已通过J1芯线连接U1的引脚6，高值电阻电压Lo端为低值电阻电压（即微小电流的Lo端， J1的外屏蔽），可直接将J1的外屏蔽送入U1的引脚3，实现测量功能。故J2悬空，在本实例中暂不使用。J2以备将来有两个高值电阻电压节点作为INA116输入时使用。

实施例：

一设计原理

1、阻抗变换电路的设计

阻抗变换电路采用超高输入阻抗的仪表运算放大器设计实现，其输入阻抗>10¹⁵Ω，满足阻抗变换的要求，输出阻抗几kΩ以下，相比于输入阻抗达10GΩ的数字多用表，阻抗失配误差可忽略。微小电流高端（HI）、高值标准电阻高端（HI）与仪表运算放大器的同相输入信号引脚IN+相连，微小电流低端（Lo）、高值标准电阻低端（Lo）与仪表运算放大器的反相输入信号引脚IN-相连。阻抗变换电路理论增益为G=1+50kΩ/RG,其中RG为仪表运算放大器引脚1和引脚16之间的电阻。通过改变RG改变阻抗变换电路的增益。电源部分采用并联0.1μF和100μF滤波。

2、保护电路设计

运用仪表运算放大器保护引脚Guard+，与相应三同轴电缆和插座的内屏蔽层相连，最大限度减小泄漏电流。目前市场上的PCB板材由于绝缘电阻有限，泄漏电流（高阻端与Guard端电流）I=ΔU/R≈0.5mV/500MΩ=1pA相对被测电流还是很可观的。实际中，项目组采用了浮地技术，即让仪表运算放大器的同相和反相输入信号引脚浮地，利用空气的高绝缘性能（>20TΩ）来减少电流的泄漏。为了避免静电耦合和振动的干扰，微小电流、高值标准电阻和仪表运算放大器输入引脚之间通过硬的电线连接。此为“浮地硬连接”。

3、屏蔽设计

外界电磁场的干扰根据距离受体的长度可分为远场干扰和近场干扰。远场干扰一般为干扰射频信号通过空气介质耦合到测试电路中，近场干扰一般为供电电源、直流电压信号等由于振动、绝缘性能不理想而通过一定的传输介质（如PCB版）耦合到电路而引起。对以上干扰信号最好的方式是远离干扰源，但实际情况操作起来不太容易。另一个减少有效的方式就是切断其干扰路径，通过一个密封的金属屏蔽壳来实现。

远场干扰通过金属壳时会发生反射损耗R _e(dB)和传输损耗A(dB)，电场损耗强度如公式（1）所示，磁场损耗如公式（2）所示，吸收损耗如公式（3）所示。

R _e(dB)=322+10log(σ_r/ μ _r f ³ r ²) (1)

R _m(dB)=14.6+10log₁₀(fr ² σ _r) (2)

(3)

σ _r相对电导率，μ _r相对磁导率，f为干扰频率，t壳体厚度，r为壳体距离干扰源的距离。根据公式，选取综合屏蔽性能较佳的金属作为屏蔽材质。金属壳体内部电路信号与外部电路通过三同轴和同轴的面板安装式插座相连。其一，采用面板安装式插座与外部电缆相连，形成一个较为封闭的环境，对电磁干扰的屏蔽效果很好，其二，三同轴电缆具有的内屏蔽层还和电缆一样具有保护作用，减少泄漏电流。

4、电压精确提取方法

阻抗变换电路采用了仪表运算放大器作为其核心器件，由于工艺的限制，仪表运算放大器在工作时输出端会附加各项直流误差。主要是分析运算放大器的直流输出误差模型，在此基础上推导出仪表运算放大器输出端真实电压。

图4是一个全差分运算放大器的直流误差模型，由图4可以看出，引起直流输出电压误差的原因主要由以下六种：

1）输入失调电压V_IO

2）输入偏置电流I_IB-、I_IB+（由输入失调电流I_IO和输入偏置电流I_IB引起）

3）输入输出共模电压（V_OCM- V_ICM）失配

4）共模抑制比（CMRR）

5）电源抑制比（PSRR）

6）电阻失配

根据理想运算放大器的性质和电路理论，可得到运算放大器差模电压输出

（4）

其中，a为放大器的差模放大倍数，，

，，，

由公式（4）和b₁、b₂、β₁、β₂、R_EQ1 和R_EQ2可以看出，输出误差部分（公式4中除第一行以外的总和）为一常数。若令高值标准电阻为零时，V_id=0，此时测得为输出误差，接上高值电阻器测得V_OD，根据线性电路的叠加原理，则有源直流电流校准适配器输出实际电压为V_OD-。

利用高精度的多功能校准源和高精度数字多用表对有源直流电流校准适配器的增益进行定标，假定增益为k，则高值电阻电压为(V_OD-)/k。

二实例应用

阻抗变换电路的仪表运算放大器使用TI公司的INA116，考虑到仪表运算放大器的准确度、温度漂移等因素，设置有源校准适配器增益为1，即RG不接电阻。整个适配器接口分为四部分，其中，J1、J2为三同轴面板安装式插座（最里面为芯HI、中间为内层屏蔽，外面为外层屏蔽Lo），功能为微小电流输入端；J3为三同轴面板安装式插座，J4为BNC插座，功能是连接高值标准电阻；J5、J6为面板安装式香蕉头插座，功能为高值标准电阻电压信号输出；J7为四芯航插插座，供电电源输入端。实际连接关系为Keithley 6430 的远端前置放大器 IN/OUT HIGH输出通过电缆连接有源校准适配器的J1，Keithley 6430 的远端前置放大器SENSE端连接有源校准适配器的J2，高值标准电阻/短路器HI与有源校准适配器的J3连接，高值电阻/短路器Lo与有源校准适配器的J4相连。有源校准适配器的电源端J7 红色线缆连接+12V（相对于GND），白色电缆连接GND，蓝色电缆连接-12V（相对于GND）。有源校准适配器的J5连接Fluke 8508A的INPUT HI端，有源校准适配器的J6连接Fluke 8508A的INPUT Lo端。

实际操作时，利用高精度的多功能校准源（如 Fluke 5720A）和数字多用表（如Fluke 8508A）事先对有源校准适配器的增益值进行定标,即5720A输出相应的电压V ₁给J1的芯线（HI）和外层屏蔽（Lo），8508A测得J5、J6之间的电压V ₂，则增益为V ₂/ V ₁；之后，针对每一个量程的微小电流，有源校准适配器电阻连接部分先连接短路器，输出该量程任一微小电流，记下此时有源校准适配器输出电压；再放置相应的高值标准电阻，根据不同的微小电流输出分别测量其输出电压，根据建立的数学模型计算得到准确电压值，最后根据欧姆定律计算得到电流值。

Claims

1.一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统，其特征在于：包括数字多用表、高值电阻/短路器、线性稳压电源和有源校准适配器，所述有源校准适配器的电阻信号输入端与所述高值电阻/短路器连接，所述有源校准适配器的电阻电压信号输出端与所述数字多用表连接，所述有源校准适配器的电源信号输入端与所述线性稳压电源连接，所述有源校准适配器并设有皮纳安级直流电流源电流信号输入端接口。

2.根据权利要求1所述的一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统，其特征在于：所述有源校准适配器的电路为阻抗变换电路：包括运算放大器U1、电阻R1、R2、电容C1、C2、C3、C4、接线端子JP1、JP2、JP3；所述运算放大器U1为INA116，运算放大器U1的引脚1经电阻R2与引脚16连接；运算放大器U1的引脚2与引脚4并接后与接线端子JP2的引脚4连接，运算放大器U1的引脚5与引脚7并接后与接线端子JP2的引脚2连接，运算放大器U1的引脚8与接线端子JP1的引脚3连接，运算放大器U1的引脚9经电阻1与接线端子JP2的引脚1连接，接线端子JP3引脚1和引脚2并接后与运算放大器U1的引脚11连接，运算放大器U1的引脚13与接线端子JP1引脚1连接，接线端子JP3的引脚3与运算放大器U1的引脚9和电阻R1的结点连接，接线端子JP1的引脚2与运算放大器U1的引脚9和电阻R1的结点连接，电容C1、C2并接后一端与运算放大器U1的引脚13和接线端子JP1引脚1的结点连接，另一端接地，电容C3、C4并接后一端与运算放大器U1的引脚8和接线端子JP1引脚3的结点连接，另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种皮纳安级直流电流源高精度校准系统，其特征在于：所述有源校准适配器的电流信号输入端包括电流信号输入端J1(2)和电流信号输入端J2(3)，所述有源校准适配器的电阻信号输入端包括电阻信号输入端J3(4)和电阻信号输入端J4(5)，所述有源校准适配器的电阻电压信号输出端包括电阻电压信号输出端J5(6)和电阻电压信号输出端J6(7)，所述有源校准适配器的电源信号输入端为电源信号输入端J7(8)，且均设置在所述有源校准适配器的金属外壳(1)外表面；电流信号输入端J1(2)、电流信号输入端J2(3)、电阻信号输入端J3(4)为三同轴面板安装式插座，电阻信号输入端J4(5)为同轴面板安装式插座，电阻电压信号输出端J5(6)、电阻电压信号输出端J6(7)为面板安装式香蕉头插座，电源信号输入端J7(8)为四芯航空插头插座；电流信号输入端J1(2)的芯线与U1的引脚6浮地连接，电流信号输入端J1(2)的内层屏蔽与JP2的引脚2连接，电流信号输入端电流信号输入端J1(2)的外层屏蔽与U1的引脚3浮地连接，并与金属外壳直接接触，电阻信号输入端J3(4)的芯线与U1的引脚6浮地连接，电阻信号输入端J3(4)的内层屏蔽与电流信号输入端J1(2)的内层屏蔽连接，电阻信号输入端J3(4)的外层屏蔽与金属外壳连接，电阻信号输入端J4(5)的芯线与所述U1的引脚3浮地连接，电阻信号输入端J4(5)的外层屏蔽与金属外壳连接，电阻电压信号输出端J5(6)通过跳线与JP3的引脚1或引脚2连接，电阻电压信号输出端J6(7)通过跳线与JP3的引脚3连接，电源信号输入端J7(8)的引脚1、引脚2、引脚3与JP1的引脚1、引脚2、引脚3依次连接。