CN114879797B - 一种高压电流源控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压电流源控制系统及方法，包括电源一V1、电源二V2、电源三V3、电源四V4、控制电路、三极管一Q1、三极管二Q2、电源五V5、电源六V6、电流采样电阻R1、隔离运放器，在高共模电压下，控制电路输出一个电流信号途径电流采样电阻R1加载到负载两端，隔离运放器采集被测器件两端电压信号补偿到控制电路使电流采样电阻R1两端电压为特定值；通过欧姆定律计算出电路中的电流实际值，通过电流采样电阻R1的电流全部加载到负载。本发明使用普通精度电阻就能满足高共模电压高精度电流采样，降低了生产难度和成本，有效降低高共模电压下差分电阻的功耗。

Description

一种高压电流源控制系统及方法
技术领域
本发明涉及一种高压电流源控制系统及方法，属于半导体高压测试技术领域。
背景技术
半导体器件在生产检测过程中需要使用1000V以上的高压uA级微小电流源测试其反向耐压值，一般需要精度达到千分之五才能满足品质和生产工艺管控的要求，通常做法是硬件精度控制在百分之五以内，再通过软件校准，使其精度达到千分之五，目前基本上使用如图1所示的方案，图1中，使用高压悬浮电源供电的单位增益放大器U2和高压衰减差分放大电路U1对输出电流进行采样，反馈到控制电路实现高压电流源功能。
差分放大器电路原理如图2所示，其计算公式如下：
Figure 439504DEST_PATH_IMAGE001
其中，Vout表示差分放大器输出电压，R1表示差分放大器反向输入端输入电阻，R2表示差分放大器反向输入端反馈电阻，R3表示差分放大器同向输入端输入电阻，R4表示差分放大器同向输入端平衡电阻，V1表示差分放大器反向输入端电压，V2表示差分放大器同向输入端电压。
表1是采用精度为千分之一的精密电阻在不同共模信号下最大误差计算，共模电压为30V时，得到的最大误差值为2.202%，通过软件校准可以满足千分之五的行业常规精度标准；共模电压为100V时，得到的极限误差值为6.874%，通过软件校准勉强可以满足千分之五的行业常规精度标准；共模电压为1000V时，得到的极限误差值达为66.934%，硬件误差太大，无法使用。
表1 采用精度为千分之一的精密电阻在不同共模信号下最大误差计算
Figure 146298DEST_PATH_IMAGE002
表2是采用精度为万分之五的精密电阻在不同共模信号下最大误差计算，共模电压为30V时，得到的最大误差值为1.101%，通过软件校准可以满足千分之五的行业常规精度标准；共模电压为100V时，得到的极限误差值为3.435%，通过软件校准可以满足千分之五的行业常规精度标准；共模电压为1000V时，得到的极限误差值为33.45%，硬件误差太大，依然无法使用
表2 采用精度为万分之五的精密电阻在不同共模信号下最大误差计算
Figure 960670DEST_PATH_IMAGE003
表3是采用精度为万分之一的精密电阻在不同共模信号下最大误差计算，共模电压为30V时，得到的最大误差值为0.220%，可以满足千分之五的行业常规精度标准；共模电压为100V时，得到的极限误差值为0.687%，通过软件校准勉强可以千分之五的行业常规精度标准；共模电压为1000V时，得到的极限误差值为6.687%，通过软件校准勉强可以满足千分之五的行业常规精度标准。
表3 采用精度为万分之一的精密电阻在不同共模信号下最大误差计算
Figure 845449DEST_PATH_IMAGE004
精密电阻在实际使用过程中还会受到本身发热和环境温度的影响，市面上很难找到万分之一的精密电阻，即使找到价格也是十分昂贵的。目前在生产中实际采用挑选电阻，使R1尽可能等于R3、 R2尽可能等于R4的方法， Vout=R2/R1*(V2-V1)尽可能成立，如下式所示，来解决高共模电压下电流采样精度问题。
Figure 112483DEST_PATH_IMAGE005
由于高压差分电阻对电阻的要求太高，实际生产时挑选电阻的工作量很大，也会受到电阻本身发热和环境温度的影响，经常需要反复调试才能满足需要的精度，生产难度和成本都很高，导致高压微小电流源测试设备售价昂贵。
发明内容
发明目的：针对高压差分电路的电阻精度要求很高、生产难度大的问题，本发明提供一种高压电流源控制系统及方法，采用隔离运放测量高压电流，抑制高共模电压，并提供以地为参考的缓冲输出，有效解决了高压差分电路对电阻的高精度需求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高压电流源控制系统，包括电源一V1、电源二V2、电源三V3、电源四V4、控制电路、三极管一Q1、三极管二Q2、电源五V5、电源六V6、电流采样电阻R1、隔离运放器，其中，所述电源一V1的负极与电源二V2的正极连接，所述电源三V3的负极与电源四V4的正极连接，所述电源三V3的负极与电源四V4的正极连接线接地，电源一V1的负极与电源二V2的正极连接线接地。电源一V1的正极与三极管一Q1的集电极连接，所述三极管一Q1的发射极与电流采样电阻R1连接，所述三极管一Q1的基极与控制电路连接。电源二V2的负极与三极管二Q2的集电极连接，所述三极管二Q2的发射极与电流采样电阻R1连接，所述三极管二Q2的基极与控制电路连接。所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接，所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线与电流采样电阻R1连接，所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线接地，所述三极管一Q1的发射极、三极管二Q2的发射极、电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线均连接在电流采样电阻R1的同一端上。电流采样电阻R1的另一端分别连接被测器件和隔离运放器正极，隔离运放器负极与控制电路连接。
优选的：所述隔离运放器是对输入和输出电路之间进行电位隔离的放大器。
优选的：所述隔离运放器包括隔离放大器，所述隔离放大器在输入和输出之间提供电流隔离，隔离放大器仅传输所需信号，并抑制高共模电压。
优选的：所述隔离运放器输入级是差分放大器，用于衰减共模电压。
一种高压电流源控制方法，在高共模电压下，控制电路输出一个电流信号途径电流采样电阻R1加载到负载两端，隔离运放器采集被测器件两端电压信号补偿到控制电路使电流采样电阻R1两端电压为特定值。通过欧姆定律计算出电路中的电流实际值，通过电流采样电阻R1的电流全部加载到负载。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明有效解决了高压差分电路对电阻的高精度需求。降低了生产难度和成本，从而降低设备售价。提供了一种稳定、高精度、同时降低了高共模电压下差分电阻功耗的方法，来实现精准测量高共模电压下的电流检测方法。
附图说明
图1为现有微小电流源测试反向耐压值的电路图。
图2为差分放大器电路。
图3为本发明实施例的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种高压电流源控制系统，如图3所示：包括电源一V1、电源二V2、电源三V3、电源四V4、控制电路、三极管一Q1、三极管二Q2、电源五V5、电源六V6、电流采样电阻R1、隔离运放器，其中，所述电源一V1的负极与电源二V2的正极连接，所述电源三V3的负极与电源四V4的正极连接，所述电源三V3的负极与电源四V4的正极连接线接地，电源一V1的负极与电源二V2的正极连接线接地。电源一V1的正极与三极管一Q1的集电极连接，所述三极管一Q1的发射极与电流采样电阻R1连接，所述三极管一Q1的基极与控制电路连接。电源二V2的负极与三极管二Q2的集电极连接，所述三极管二Q2的发射极与电流采样电阻R1连接，所述三极管二Q2的基极与控制电路连接。所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接，所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线与电流采样电阻R1连接，所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线接地，所述三极管一Q1的发射极、三极管二Q2的发射极、电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线均连接在电流采样电阻R1的同一端上。电流采样电阻R1的另一端分别连接被测器件和隔离运放器正极，隔离运放器负极与控制电路连接。
所述隔离运放器是对输入和输出电路之间进行电位隔离的放大器。所述隔离运放器包括隔离放大器，所述隔离放大器在输入和输出之间提供电流隔离，隔离放大器仅传输所需信号，并抑制高共模电压。所述隔离运放器输入级是差分放大器，用于衰减共模电压。
一种高压电流源控制方法，在高共模电压下，控制电路输出一个电流信号途径电流采样电阻R1加载到负载两端，隔离运放器采集被测器件两端电压信号补偿到控制电路使电流采样电阻R1两端电压为特定值。通过欧姆定律计算出电路中的电流实际值，通过电流采样电阻R1的电流全部加载到负载。
在高共模电压下，控制电路输出一个电流信号途径电流采样电阻R1加载到负载两端，隔离运放采集被测器件DUT两端电压信号补偿到控制电路使电流采样电阻R1两端电压为特定值。通过欧姆定律可以计算出电路中的电流实际值。由于隔离运放器输入端呈高阻态没有电流流入，通过电流采样电阻R1的电流全部加载到负载。
隔离运放器的输入输出端阻抗无穷大，电流无法流进去，我们将此称之为虚断，所以隔离运放器具有隔离作用。又因为隔离运放器的正负输入电压与负向输入电压在负反馈的情况下电压相等，也就意味着短路，可运放依旧可以正常运行，这就是运放的第二种特性，我们将其称为虚短。通过隔离运放器的这两种特性，我们就可以将隔离运放器应用于实际之中。
使用隔离放大器作为隔离运放器，在输入和输出之间提供电流隔离。隔离放大器仅传输所需信号，并抑制高共模电压。隔离放大器能够消除系统中的接地回路，保持电路元件之间的接地分离。隔离运放器是对输入和输出电路之间进行电位隔离的放大器。这确保了输入和输出部分之间没有导电路径。两部分之间的漏电流极低，而且电介质击穿电压很高。输入级是差分放大器，用于衰减共模电压。
隔离放大器是一种对其输入和输出电路（包括相关电源）之间进行电位隔离的放大器。这确保了输入和输出部分之间没有导电路径。两部分之间的漏电流极低，而且电介质击穿电压很高。输入级是差分放大器，用于衰减共模电压。它之所以能做到这一点，是因为输入彼此相差不到 1 V，并且放大器是浮动的，不以地为基准。最大限度减少各部分之间的杂散电容耦合，以免影响隔离。各部分之间的隔离由变压器、电容或光学耦合提供。这些耦合方法通常会阻止信号的直流和低频成分。利用输入信号调制一个载波并发送全信号频谱，然后在器件输出端通过解调予以恢复，可以避免上述缺点。输入端和输出端均使用隔离电源。
本发明使用普通精度电阻就能满足高共模电压高精度电流采样，降低了生产难度和成本，有效降低高共模电压下差分电阻的功耗。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压电流源控制系统，其特征在于：包括电源一V1、电源二V2、电源三V3、电源四V4、控制电路、三极管一Q1、三极管二Q2、电源五V5、电源六V6、电流采样电阻R1、隔离运放器，其中，所述电源一V1的负极与电源二V2的正极连接，所述电源三V3的负极与电源四V4的正极连接，所述电源三V3的负极与电源四V4的正极连接线接地，电源一V1的负极与电源二V2的正极连接线接地；电源一V1的正极与三极管一Q1的集电极连接，所述三极管一Q1的发射极与电流采样电阻R1连接，所述三极管一Q1的基极与控制电路连接；电源二V2的负极与三极管二Q2的集电极连接，所述三极管二Q2的发射极与电流采样电阻R1连接，所述三极管二Q2的基极与控制电路连接；所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接，所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线与电流采样电阻R1连接，所述电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线接地，所述三极管一Q1的发射极、三极管二Q2的发射极、电源五V5的负极与电源六V6的正极连接线均连接在电流采样电阻R1的同一端上；电流采样电阻R1的另一端分别连接被测器件和隔离运放器正极，隔离运放器负极与控制电路连接。
2.根据权利要求1所述高压电流源控制系统，其特征在于：所述隔离运放器是对输入和输出电路之间进行电位隔离的放大器。
3.根据权利要求2所述高压电流源控制系统，其特征在于：所述隔离运放器包括隔离放大器，所述隔离放大器在输入和输出之间提供电流隔离，隔离放大器仅传输所需信号，并抑制高共模电压。
4.根据权利要求1所述高压电流源控制系统，其特征在于：所述隔离运放器输入级是差分放大器，用于衰减共模电压。
5.一种基于权利要求1所述高压电流源控制系统的控制方法，其特征在于：在高共模电压下，控制电路输出一个电流信号途径电流采样电阻R1加载到负载两端，隔离运放器采集被测器件两端电压信号补偿到控制电路使电流采样电阻R1两端电压为特定值；通过欧姆定律计算出电路中的电流实际值，通过电流采样电阻R1的电流全部加载到负载。
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