CN114384387A

CN114384387A - 可扩展性精密源表

Info

Publication number: CN114384387A
Application number: CN202111550244.3A
Authority: CN
Inventors: 潘朝松; 胡海洋; 黄建军
Original assignee: Stelight Instrument Inc
Current assignee: Stelight Instrument Inc
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2022-04-22

Abstract

本发明公开一种可扩展性精密源表，包括：电源单元、对外接口单元、主功率通路单元、位于对外接口单元和主功率通路单元之间的模拟控制模块单元；模拟控制模块单元进一步包括：FPGA主控制器、电压数模转换器、电流数模转换器、电流反馈电路、电压采样及反馈电路、第一误差放大器、第二误差放大器、MOS驱动模块，用于放大来自第一误差放大器的电压误差信号和来自第二误差放大器的电流误差信号；缓冲驱动电路，位于MOS驱动模块和输出调节器之间。本发明可扩展性精密源表克服了现有技术中无法实现高压、大电流输出，可扩展性差，以及负载适应性较差，在某些的负载条件下输出容易振荡，无法稳压等不可接受的技术问题。

Description

可扩展性精密源表

技术领域

本发明涉及一种可扩展性精密源表，属于直流测试测量技术领域。

背景技术

精密源表是一种精密的，集四象限电源、脉冲源、电流表、电压表为一体的直流测试测量技术设备。该设备稳定度高，噪声小，时漂和温漂小，多用于半导体器件的研发与测试，新兴材料的研究和测试。

源表是现代半导体器件测试验证的必需装备，而高端源表的研发、制造技术一直掌握在美国、日本等专业的仪表厂家，其研发中心和研发地点均在国外，并且高端核心技术均对国内封锁，国内的企业目前无法做出相应的规格的源表同时也无法学习到其核以技术。

当前的半导体应用，电压有要求输出低至微伏级别，但也有应用要求电压高达上千伏，同时电流精度低至pA（10~12），高到几十安培。大功率运放直出方案，由于运放本身参数的限制，有以下问题：（1）、无法实现高压、大电流输出，可扩展性差；（2）、由于电路架构引起的电流采样运放共模抑制比不够高，最终造成不同电压输出条件下，输出电流测量精度差的问题；（3）、多机同步时，其同步信号经过主控制器处理并且主控制器与业务级的数模转换器/模数转换器为分时通信的方式，导致同步的延时较长（μs到ms级），影响多机同步的功能及用户的测试效率；（4）、负载适应性较差，在某些的负载条件下输出容易振荡，无法稳压等不可接受的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可扩展性精密源表，此可扩展性精密源表克服了现有技术中无法实现高压、大电流输出，可扩展性差，以及负载适应性较差，在某些的负载条件下输出容易振荡，无法稳压等不可接受的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可扩展性精密源表，包括：电源单元、对外接口单元、主功率通路单元、位于对外接口单元和主功率通路单元之间的模拟控制模块单元，连接到主功率通路单元的所述电源单元用于给对外接口单元、模拟控制模块单元供电；

所述对外接口单元进一步包括：

输入输出接口，用于接收来自外设的参数状态配置信息、目标电流电压值和监控信息；

主控制器，位于输入输出接口和主控芯片FPGA之间，用于将输入指令按照协议转为化数字控制指令信号并将来自主控芯片FPGA的表征实际电压电流值信息传输给输入输出接口；

同步接口，连接到主控芯片FPGA，用于传输同步信号；

所述主功率通路单元进一步包括：

输出调节器，接收来自隔离主功率电源的直流电压输出信号并在缓冲驱动电路调节下输出达到用户预设的电压电流值，进一步包括至少2个串联的功率MOSFET器件；

电流采样电阻，将输出的电流值转化为电压值；

输出模块，用于输出电流电压；

所述模拟控制模块单元进一步包括：

FPGA主控制器，负责接受来自主控器件的数字控制指令信号或同步接口的同步信号，解析出用户预设的目标电压电流设置值，也要返回相应的处理信息和数据给主控制器进行分析控制、显示等；

电压数模转换器，用于将FPGA主控制器输出的含有电压设置值信息的数字信号转换为相应的模拟信号；

电流数模转换器，用于将FPGA主控制器输出的含有电流设置值信息的数字信号转换为相应的模拟信号；

电流反馈电路，对电流采样电阻上的电压值采样获得含有实际电流值信息的第一电压信号；

电压采样及反馈电路，对输出模块上的电压值采样获得含有实际电压值信息的第二电压信号；

第一误差放大器，根据同相端接收的电压目标设置值信息和反相端接收的含有实际电压值信息的第一电压信号之间的差值，输出含有电压差值信息的电压误差信号；

第二误差放大器，根据同相端接收的电流目标设置值信息和反相端接收的含有实际电流值信息的第二电压信号之间的差值，输出含有电流差值信息的电流误差信号；

MOS驱动模块，用于放大来自第一误差放大器的电压误差信号和来自第二误差放大器的电流误差信号；

缓冲驱动电路，位于MOS驱动模块和输出调节器之间，进一步包括：第一三极管、第二三极管和位于第一三极管、第二三极管各自发射极之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一三极管、第二三极管共集电极且共基极连接到MOS驱动模块，所述第一电阻、第二电阻之间的接点与靠近电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接，所第三电阻、第四电阻之间的接点与远离电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接。

上述技术方案中进一步改进的方案如下：

1、上述方案中，所述电源单元进一步包括：

交流转直流电源，用于将市电的交流电转换成直流电；

隔离主功率电源，位于交流转直流电源和输出调节器之间，用于将来自交流转直流电源的直流电进行降噪处理形成稳定直流电压输出信号；

隔离模拟控制电路电源，用于给模拟控制模块单元供电；

对外接口电路电源，将来自交流转直流电源直流电降低后给对外接口电路供电。

2、上述方案中，所述输入输出接口为S232接口、GPIB接口、USB接口、网口、键盘或者屏幕显示屏。

3、上述方案中，一第二信号隔离器位于同步接口和主控芯片FPGA之间。

4、上述方案中，一第一信号隔离器位于主控制器和主控芯片FPGA之间。

5、上述方案中，一电流模数转换器位于电流反馈电路和FPGA主控制器之间，用于FPGA主控制器输出的数字信号与电流反馈电路输出的模拟信号之间的转换。

6、上述方案中，一电压模数转换器位于电压采样及反馈电路和FPGA主控制器之间，用于FPGA主控制器输出的数字信号与电压采样及反馈电路输出的模拟信号之间的转换。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明可扩展性精密源表，其位于MOS驱动模块和输出调节器之间还设置有缓冲驱动电路，此缓冲驱动电路进一步包括：第一三极管、第二三极管和位于第一三极管、第二三极管各自发射极之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一三极管、第二三极管共集电极且共基极连接到MOS驱动模块，所述第一电阻、第二电阻之间的接点与靠近电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接，所第三电阻、第四电阻之间的接点与远离电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接；输出电阻低，负载适应性好，把传统的直级运放输出电压控制MOSET的方式转换成为运放输出电压转为电流后再控制MOSFET的方式，可稳定驱动输出调节器中的功率器件MOSFET，实现功率输出级的稳定驱动，负载适应性好，避免了在某些的负载条件下输出容易振荡，从而能精确稳压、实现高压、大电流输出，可扩展性好；还有，其还包括同步接口，连接到主控芯片FPGA，用于传输同步信号，可实现多机同步，避免了同步的延时较长（μs到ms级），从而改善了多机同步的功能及用户的测试效率。

附图说明

附图1为现有精密源表的电气原理示意图；

附图2为本发明可扩展性精密源表的电气原理示意图。

以上附图中：1、交流转直流电源；2、隔离主功率电源；3、隔离模拟控制电路电源；4、对外接口电路电源；5、输出调节器；6、电流采样电阻；7、输出模块；8、输入输出接口；9、同步接口；10、主控制器；11、第一信号隔离器；12、第二信号隔离器；13、FPGA主控制器；14、缓冲驱动电路；15、MOS驱动模块；16、电流反馈电路；17、电压采样及反馈电路；181、第一误差放大器；182、第二误差放大器；19、电压数模转换器；20、电流数模转换器；21、电流模数转换器；22、电压模数转换器；23、电源单元；24、对外接口单元；25、主功率通路单元；26、模拟控制模块单元。

具体实施方式

在本专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利的具体含义。

实施例：一种可扩展性精密源表，包括：电源单元23、对外接口单元24、主功率通路单元25、位于对外接口单元24和主功率通路单元25之间的模拟控制模块单元26，连接到主功率通路单元25的所述电源单元23用于给对外接口单元24、模拟控制模块单元26供电；

所述对外接口单元进一步包括：

输入输出接口8，用于接收来自外设的参数状态配置信息、目标电流电压值和监控信息；

主控制器10，位于输入输出接口8和主控芯片FPGA13之间，用于将输入指令按照协议转为化数字控制指令信号并将来自主控芯片FPGA13的表征实际电压电流值信息传输给输入输出接口8；

同步接口9，连接到主控芯片FPGA13，用于传输同步信号；

所述主功率通路单元进一步包括：

输出调节器5，接收来自隔离主功率电源2的直流电压输出信号并在缓冲驱动电路14调节下输出达到用户预设的电压电流值，进一步包括至少2个串联的功率MOSFET器件；

电流采样电阻6，将输出的电流值转化为电压值；

输出模块7，用于输出电流电压；

所述模拟控制模块单元进一步包括：

FPGA主控制器13，负责接受来自主控器件10的数字控制指令信号或同步接口9的同步信号，解析出用户预设的目标电压电流设置值，也要返回相应的处理信息和数据给主控制器10进行分析控制、显示等；FPGA主控制器13为模拟控制模块的核心器器件，负责接受处理主控器件10发下来的数字控制指令或同步接口的输入同步信号，也要返回相应的处理信息和数据给主控制器10进行分析控制、显示等。用户预设的目标值或限制值由主控制器接收经FPGA主控制器13解析后输出目标数字信号下发给电压/电流数模转换器19、20，转成模拟电压信号，其值为源表输出的电压、电流目标值对应的模拟量，这个目标模拟信号与电压、电流反馈模块16、17从输出端采样回来表征实际电压、电流的模拟反馈信号一起送到负反馈的误差放大器18进行误差放大，误差放大信号经过驱动模块15及缓冲驱动电路14后直接输出到主功率通路的输出调节器5模块，控制其核心功率器件MOSFET的输出电压信号达到用户预设的电压或电流目标值。同时电压/电流反馈模块16、17的输出的表征实际电压、电流的模拟信号会分别送到电压/电流模数转换器21、22进行模数转换器转换成数字信号经FPGA主控制器13，信号隔离器11送至主控制器10进行处理，处理后的表征电压/电流的数字信号可用于显示或回传给用户的上位机进行数据分析。

电压数模转换器19，用于将FPGA主控制器13输出的含有电压设置值信息的数字信号转换为相应的模拟信号；

电流数模转换器20，用于将FPGA主控制器13输出的含有电流设置值信息的数字信号转换为相应的模拟信号；

电流反馈电路16，对电流采样电阻上的电压值采样获得含有实际电流值信息的第一电压信号；

电压采样及反馈电路17，对输出模块7上的电压值采样获得含有实际电压值信息的第二电压信号；

第一误差放大器181，根据同相端接收的电压目标设置值信息和反相端接收的含有实际电压值信息的第一电压信号之间的差值，输出含有电压差值信息的电压误差信号；

第二误差放大器182，根据同相端接收的电流目标设置值信息和反相端接收的含有实际电流值信息的第二电压信号之间的差值，输出含有电流差值信息的电流误差信号；

MOS驱动模块15，用于放大来自第一误差放大器181的电压误差信号和来自第二误差放大器181的电流误差信号；

缓冲驱动电路14，位于MOS驱动模块15和输出调节器5之间，进一步包括：第一三极管、第二三极管和位于第一三极管、第二三极管各自发射极之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一三极管、第二三极管共集电极且共基极连接到MOS驱动模块15，所述第一电阻、第二电阻之间的接点与靠近电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接，所第三电阻、第四电阻之间的接点与远离电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接；在MOS驱动模块15后增加一级缓冲驱动14电路，其驱动架构为三极管共集电极输出，其特点为输出电阻低，负载适应性好，把传统的直接运放输出电压控制MOSET的方式转换成为运放输出电压转为电流后再控制MOSFET的方式，可稳定驱动输出调节器5中的功率器件MOSFET，实现功率输出级的稳定驱动，如需增大源表的输出电流，可直接多并联相应数量的功率器件（MOSFET），保证每一个MOSFET分担的最大功耗在其安全工作区内，就可以实现简单、稳定的扩流，如需更高的电压，可基于电路的耐压需求，选择合适相应耐压的MOSFET，同时也要保证MOSFET工作在其安全工作区内。具体的电路配置为：Q1为NPN三极管，Q2为PNP三极管，两三极管的发射极分别接小于10K的电阻（R1+R2=R3+R4<10K）连到模拟控制地，驱动后级的输出电压是由流经小于10K的电阻（R1+R2=R3+R4<10K）的电流在电阻上的分压产生。

上述电源单元进一步包括：

交流转直流电源1，用于将市电的交流电转换成直流电；

隔离主功率电源2，位于交流转直流电源1和输出调节器5之间，用于将来自交流转直流电源1的直流电进行降噪处理形成稳定直流电压输出信号；

隔离模拟控制电路电源3，用于给模拟控制模块单元供电；

对外接口电路电源4，将来自交流转直流电源1直流电降低后给对外接口电路供电。

上述输入输出接口8为S232接口、GPIB接口、USB接口、网口、键盘或者屏幕显示屏。

一第二信号隔离器12位于同步接口9和主控芯片FPGA13之间。

一第一信号隔离器11位于主控制器10和主控芯片FPGA13之间。

一电流模数转换器21位于电流反馈电路16和FPGA主控制器13之间，用于FPGA主控制器13输出的数字信号与电流反馈电路16输出的模拟信号之间的转换。

一电压模数转换器22位于电压采样及反馈电路17和FPGA主控制器13之间，用于FPGA主控制器13输出的数字信号与电压采样及反馈电路17输出的模拟信号之间的转换。

隔离模拟控制电路电源3的参考地为源表输出MOSFET的输出电压，这样控制的电压在相当于在源表的输出正极性的电压上浮动---若输出为Vo，控制电压相对于Vo的电压为+/-Vs，当前主流的功率控制器件为MOSFET，只要Vs设定合适，即可运用不同电压等级的运放去实现闭环控制，而无需考虑运放供电电压的限制，也大大降低对电流采样放大器对共模抑制比的要求，只要选择合适的功率器件（MOSFET）耐压，源表的输出电压可以从几伏扩展到几千伏而不受运放的器件影响，从而实现低成本的电压扩展。

采用上述可扩展性精密源表时，其位于MOS驱动模块和输出调节器之间还设置有缓冲驱动电路，此缓冲驱动电路进一步包括：第一三极管、第二三极管和位于第一三极管、第二三极管各自发射极之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一三极管、第二三极管共集电极且共基极连接到MOS驱动模块，所述第一电阻、第二电阻之间的接点与靠近电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接，所第三电阻、第四电阻之间的接点与远离电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接；输出电阻低，负载适应性好，把传统的直接运放输出电压控制MOSET的方式转换成为运放输出电压转为电流后再控制MOSFET的方式，可稳定驱动输出调节器中的功率器件MOSFET，实现功率输出级的稳定驱动，负载适应性好，避免了在某些的负载条件下输出容易振荡，从而能精确稳压、实现高压、大电流输出，可扩展性好；还有，其还包括同步接口，连接到主控芯片FPGA，用于传输同步信号，可实现多机同步，避免了同步的延时较长（μs到ms级），从而改善了多机同步的功能及用户的测试效率。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可扩展性精密源表，其特征在于：包括：电源单元（23）、对外接口单元（24）、主功率通路单元（25）、位于对外接口单元（24）和主功率通路单元（25）之间的模拟控制模块单元（26），连接到主功率通路单元（25）的所述电源单元（23）用于给对外接口单元（24）、模拟控制模块单元（26）供电；

所述对外接口单元进一步包括：

输入输出接口（8），用于接收来自外设的参数状态配置信息、目标电流电压值和监控信息；

主控制器（10），位于输入输出接口（8）和主控芯片FPGA（13）之间，用于将输入指令按照协议转为化数字控制指令信号并将来自主控芯片FPGA（13）的表征实际电压电流值信息传输给输入输出接口（8）；

同步接口（9），连接到主控芯片FPGA（13），用于传输同步信号；

所述主功率通路单元进一步包括：

输出调节器（5），接收来自隔离主功率电源（2）的直流电压输出信号并在缓冲驱动电路（14）调节下输出达到用户预设的电压电流值，进一步包括至少2个串联的功率MOSFET器件；

电流采样电阻（6），将输出的电流值转化为电压值；

输出模块（7），用于输出电流电压；

所述模拟控制模块单元进一步包括：

FPGA主控制器（13），负责接受来自主控器件（10）的数字控制指令信号或同步接口（9）的同步信号，解析出用户预设的目标电压电流设置值，也要返回相应的处理信息和数据给主控制器（10）进行分析控制、显示等；

电压数模转换器（19），用于将FPGA主控制器（13）输出的含有电压设置值信息的数字信号转换为相应的模拟信号；

电流数模转换器（20），用于将FPGA主控制器（13）输出的含有电流设置值信息的数字信号转换为相应的模拟信号；

电流反馈电路（16），对电流采样电阻上的电压值采样获得含有实际电流值信息的第一电压信号；

电压采样及反馈电路（17），对输出模块（7）上的电压值采样获得含有实际电压值信息的第二电压信号；

第一误差放大器（181），根据同相端接收的电压目标设置值信息和反相端接收的含有实际电压值信息的第一电压信号之间的差值，输出含有电压差值信息的电压误差信号；

第二误差放大器（182），根据同相端接收的电流目标设置值信息和反相端接收的含有实际电流值信息的第二电压信号之间的差值，输出含有电流差值信息的电流误差信号；

MOS驱动模块（15），用于放大来自第一误差放大器（181）的电压误差信号和来自第二误差放大器（181）的电流误差信号；

缓冲驱动电路（14），位于MOS驱动模块（15）和输出调节器（5）之间，进一步包括：第一三极管、第二三极管和位于第一三极管、第二三极管各自发射极之间的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，所述第一三极管、第二三极管共集电极且共基极连接到MOS驱动模块（15），所述第一电阻、第二电阻之间的接点与靠近电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接，所第三电阻、第四电阻之间的接点与远离电源单元一侧的功率MOSFET器件的栅极连接。

2.根据权利要求1所述的可扩展性精密源表，其特征在于：所述电源单元进一步包括：

交流转直流电源（1），用于将市电的交流电转换成直流电；

隔离主功率电源（2），位于交流转直流电源（1）和输出调节器（5）之间，用于将来自交流转直流电源（1）的直流电进行降噪处理形成稳定直流电压输出信号；

隔离模拟控制电路电源（3），用于给模拟控制模块单元供电；

对外接口电路电源（4），将来自交流转直流电源（1）直流电降低后给对外接口电路供电。

3.根据权利要求1所述的可扩展性精密源表，其特征在于：所述输入输出接口（8）为S232接口、GPIB接口、USB接口、网口、键盘或者屏幕显示屏。

4.根据权利要求1所述的可扩展性精密源表，其特征在于：一第二信号隔离器（12）位于同步接口（9）和主控芯片FPGA（13）之间。

5.根据权利要求1所述的可扩展性精密源表，其特征在于：一第一信号隔离器（11）位于主控制器（10）和主控芯片FPGA（13）之间。

6.根据权利要求1所述的可扩展性精密源表，其特征在于：一电流模数转换器（21）位于电流反馈电路（16）和FPGA主控制器（13）之间，用于FPGA主控制器（13）输出的数字信号与电流反馈电路（16）输出的模拟信号之间的转换。

7.根据权利要求1所述的可扩展性精密源表，其特征在于：一电压模数转换器（22）位于电压采样及反馈电路（17）和FPGA主控制器（13）之间，用于FPGA主控制器（13）输出的数字信号与电压采样及反馈电路（17）输出的模拟信号之间的转换。