CN117949880A - 一种源表直流微电流指示四象限校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种源表直流微电流指示四象限校准装置及方法，所述装置包括标准电阻器和电压发生器，被校源表、标准电阻器、电压发生器通过三同轴BNC接口依次连接从而构成校准回路，三者的三同轴BNC接口的内屏蔽层和外屏蔽层均通过连接线分别短接；标准电阻器包括电阻和金属屏蔽壳体，标准电阻器的接口包括分别与被校源表和电压发生器连接的第一接口和第二接口，第一和第二接口的内屏蔽层通过导体短接，芯线通过电阻连接，外屏蔽层通过金属屏蔽壳体短接；电压发生器以被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层电压为参考，输出极性与校准回路中电流极性相反的电压。本发明能够在校准回路中产生标准的源电流和阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

Description

一种源表直流微电流指示四象限校准装置及方法

技术领域

本发明属于电学计量技术领域，具体涉及一种源表直流微电流指示四象限校准装置及方法。

背景技术

源表（Source Meter Unit，SMU）是一种集电压源、电流源、电压表、电流表功能于一体的测试仪器，它可以提供精确的直流电压或直流电流输出，并能同时测量被测元器件的电流、电压等参数。现有源表的最小电流量程可达±1pA。为了避免信号传输路径上绝缘泄漏造成的影响，保证信号测量的精度，源表通常采用三同轴BNC（TRX-BNC）连接器接口。三同轴BNC可以传输三路信号，由内到外分别是：芯线（Hi）、内屏蔽层（Grd）、外屏蔽层（Lo）；内屏蔽层采用Guard保护驱动技术，其输出电压跟踪芯线的电位，两者的电压值基本上可视为相等（差值一般不超过±0.5mV）；此外，外屏蔽层与电源地相连接。源表属于四象限电源，以电源电压为X轴、电流为Y轴形成的工作状态象限图如图1所示，每个象限代表了不同极性电压和电流的组合。当源表工作于第Ⅰ和Ⅲ象限时，电压和电流的极性相同，源表对外部设备供电（即处于“源模式”），此时的输出电流称为“源电流”；当源表工作于第Ⅱ和Ⅳ象限时，电压和电流的极性相反，外部设备对源表放电，源表吸收外部流入的电流（即处于“阱模式”），此时的输入电流称为“阱电流”。

目前，源表的直流电流校准的主要依据是JJF 1895-2021《半导体器件直流和低频参数测试设备校准规范》，其中包括“直流电流输出”和“直流电流指示”校准项目，前者考察电流源的性能指标，后者考察电流表的性能指标。在半导体器件的电气参数表征中，量值低于±10μA的微电流是最为常见的。JJF 1895-2021第5.6.1节和5.7.1节分别规定了±10μA以下直流微电流输出和直流微电流指示的校准方法，按照该校准方法进行源表的“直流电流指示”校准时，源表需要输出电压，通过高电压电阻在校准回路中产生电流，来对源表的直流电流指示值进行校准。采用该校准方法，源表的输出电压和所产生的电流的极性相同；按照图1的源表工作状态象限图，对应的是第Ⅰ、Ⅲ象限的源模式。因此，按照JJF 1895-2021第5.7.1节规定的校准方法，仅能在源模式下对源表的直流电流指示进行校准。

源表处于第Ⅱ和Ⅳ象限的阱模式时，实际上是作为电子负载来吸收外部设备的电流，其端口电压和电流的极性相反，并且其内部电路的工作状态也有别于源模式。为了对源表的性能指标进行全面考察，其电流表功能需要在“源模式”下进行校准，更需要在“阱模式”下进行校准。目前，使用现有的仪器设备，尚无法实现源表在第Ⅱ、Ⅳ象限的阱电流校准。

发明内容

针对现有直流微电流指示校准方法存在的缺陷，本发明的目的是提供一种源表直流微电流指示四象限校准装置及方法，能够在校准回路中产生标准的源电流和阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种源表直流微电流指示四象限校准装置，包括标准电阻器和电压发生器，被校源表、标准电阻器、电压发生器的接口均采用三同轴BNC接口，被校源表、标准电阻器、电压发生器通过三同轴BNC接口依次连接从而构成校准回路，所述三同轴BNC接口包括芯线、内屏蔽层和外屏蔽层，被校源表、标准电阻器、电压发生器的接口的内屏蔽层之间通过连接线短接，被校源表、标准电阻器、电压发生器的接口的外屏蔽层通过连接线短接；

所述标准电阻器包括电阻和金属屏蔽壳体，所述标准电阻器的接口包括与被校源表的接口连接的第一接口以及与电压发生器的接口连接的第二接口，所述第一接口与所述第二接口的内屏蔽层通过导体短接，所述第一接口与所述第二接口的芯线通过所述电阻连接，所述第一接口与所述第二接口的外屏蔽层通过所述金属屏蔽壳体短接；

所述电压发生器能够以被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层电压为参考，输出极性与校准回路中电流极性相反的电压，从而在校准回路中产生对应的源电流或阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

优选地，所述电压发生器包括参数输入单元、数模转换器、输出放大器、微控制器和跟随器，所述参数输入单元用于设置校准点电流I _标准以及与校准点电流对应的电阻阻值R _REF，并发送给所述微控制器；

所述跟随器与所述电压发生器的接口的内屏蔽层连接，将被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层电压输出给所述数模转换器作为参考地；

所述数模转换器和输出放大器用于输出极性与校准回路中电流极性相反的电压U _STD；

所述微控制器用于控制所述数模转换器和输出放大器输出的电压U _STD达到下式的计算值：。

优选地，所述电压发生器还包括电源模块和电压基准，所述电源模块为所述数模转换器、输出放大器、电压基准、参数输入单元、微控制器提供隔离的供电电源，所述电压基准用于为所述数模转换器提供参考基准。

本发明的另一个方面提供一种源表直流微电流指示四象限校准方法，利用上述的装置进行被校源表的直流微电流指示的四象限校准，所述方法包括以下步骤：

启动被校源表，被校源表的三同轴BNC接口的芯线输出电压为U _PRT，内屏蔽层输出电压为U _GRD；

启动电压发生器，电压发生器以被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层输出电压U _GRD为参考，产生电压信号U _STD；

如下计算校准回路中的电流I _REF：

；

读取被校源表的微电流指示值I _示值，如下计算指示误差值，完成该微电流校准点的校准：/>；

依次进行所有校准点的校准，从而完成被校源表的直流微电流指示的四象限校准。

优选地，电压发生器产生电压信号U _STD的步骤包括：

设置校准点电流I _标准以及与校准点电流I _标准对应的电阻阻值R _REF；

使用连接线将标称阻值为R _REF的标准电阻器与被校源表和电压发生器相连接；

将被校源表的三同轴BNC接口的芯线输出电压U _PRT设置为与校准点电流I _标准以及被校源表的工作象限对应的电压；

进行调整，使电压发生器的输出电压U _STD达到下式的计算值：

。

根据本发明上述方面的源表直流微电流指示四象限校准装置及方法，通过采用以外部电压为参考的电压发生器和标准电阻器，能够在校准回路中产生标准的源电流和阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是源表的四象限工作状态象限图；

图2是本发明一个实施例的源表直流微电流指示四象限校准装置的结构示意图；

图3是本发明一个实施例的标准电阻器的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的电压发生器的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供一种源表直流微电流指示四象限校准装置，图2是本发明一个实施例的源表直流微电流指示四象限校准装置的结构示意图。如图2所示，本发明实施例的源表直流微电流指示四象限校准装置1包括标准电阻器11、电压发生器12。标准电阻器11、电压发生器12的接口均采用三同轴BNC接口。被校源表2、标准电阻器11、电压发生器12的接口的内屏蔽层之间通过连接线连接，被校源表2、标准电阻器11、电压发生器12的接口的外屏蔽层通过连接线连接。即，被校源表2、标准电阻器11、电压发生器12可以通过三同轴BNC连接线依次连接，连接线的内屏蔽层电压相等，连接线的外屏蔽层电压相等。

图3是本发明一个实施例的标准电阻器的结构示意图。如图3所示，标准电阻器11包括电阻112和金属屏蔽壳体113，标准电阻器11的接口包括与被校源表2的接口连接的第一接口111以及与电压发生器12的接口连接的第二接口114。第一接口111与第二接口114均采用三同轴BNC连接器，其内屏蔽层通过导体直接短接，外屏蔽层通过金属屏蔽壳体113短接。第一接口111与第二接口114的芯线通过电阻112连接。

本发明实施例还提供一种源表直流微电流指示四象限校准方法，利用本发明上述实施例的源表直流微电流指示四象限校准装置，进行被校源表的直流微电流指示的四象限校准。本发明实施例的源表直流微电流指示四象限校准方法及原理如下。

首先，启动被校源表2。被校源表2的三同轴BNC接口的芯线输出电压为U _PRT，内屏蔽层输出电压为U _GRD。

其次，启动电压发生器12。电压发生器12能以被校源表2的三同轴BNC接口内屏蔽层电压U _GRD为参考，产生电压信号U _STD。标准电阻器11中的电阻阻值为R _REF，电阻一端电压为U _PRT，另一端电压为U _GRD＋U _STD，根据欧姆定律，流过电阻的电流I _REF为：(1)

显然，校准回路中的电流即为流过电阻的电流I _REF。

对于被校源表2，三同轴BNC接口的芯线电压U _PRT与内屏蔽层电压U _GRD可视为相等，即：(2)

将式（2）代入式（1），则下式成立：

(3)

式（3）表明，所产生的校准电流I _REF的极性由U _STD决定。通过调整电压发生器12的输出电压U _STD和被校源表2输出电压的极性，可以在校准回路中产生标准的源电流和阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

最后，待被校源表2显示的微电流指示值I _示值稳定后，读取并记录I _示值；然后通过下式计算指示误差值，完成该微电流点的校准。

(4)

依次进行所有电流校准点的校准，从而完成被校源表的直流微电流指示的四象限校准。

在本发明的一个实施例中，使用阻值范围为1MΩ～1TΩ的7个标准电阻器，每一个标准电阻器对应覆盖不同的微电流量程；通过施加±(1～10)V的标准电压，来实现±(1pA～10μA)微电流的校准。本发明实施例通过使用较高的标准电压，来抵消三同轴BNC接口的内屏蔽层电压U _GRD与芯线电压U _PRT的微小压差，从而提高微电流的准确度；同时，校准过程中使用标准电阻器的校准值，可以进一步提高微电流的准确度。本发明实施例的微电流校准点与阻值、标准电压对应关系如表1所示。

图4是本发明一个实施例的电压发生器的电路示意图。如图4所示，电压发生器12具有接口121，并且包括电源模块122、跟随器123、输出放大器124、电压基准125、参数输入单元（按键矩阵）126、数模转换器127、微控制器128，其中接口121为三同轴BNC接口。参数输入单元126用于设置校准点电流以及与校准点电流对应的电阻阻值，并发送给微控制器128。电源模块122由隔离式DC/DC转换器DCH010515DN7、LDO1、LDO2组成，DC/DC转换器DCH010515DN7将输入电源和输出电源的“地”进行了电气隔离。电源模块122为数模转换器127、输出放大器124、电压基准125、参数输入单元126、微控制器128提供隔离的供电电源。跟随器123与电压发生器12的接口121的内屏蔽层连接，从而能够将被校源表2的三同轴BNC接口的内屏蔽层电压U _GRD输出给图4中点划线右侧的电源模块122、数模转换器127、电压基准125（如符号“▽”所示），以该电压U _GRD为参考地，数模转换器127和输出放大器124输出电压信号U _STD。跟随器123使用PA88高压功率放大器，显然其输出电压U' _GRD等于U _GRD；跟随器123的输出电压摆幅可达±210V，可以满足最高输出电压达±200V源表的校准需要。输出放大器124用于与数模转换器127配合产生输出电压，电压基准125用于为数模转换器127提供参考基准。微控制器128用于控制数模转换器127和输出放大器124输出与所设置的校准点电流和电阻阻值对应的电压。

在本发明的一个实施例中，以吉时利6430型为被校源表2，并以1nA、源表输出电压为100V为例说明本发明实施例的四象限校准方法。1nA的四限校准参数如下表2所示。

下面以表2中序号1的微电流校准点（+1nA）为例说明本发明实施例的工作过程。

首先，根据表1在参数输入单元126中设置校准点电流I _标准为+1nA以及电阻阻值R _REF为10GΩ，并将设置数据发送给微控制器128。

根据表1，使用连接线将标称阻值为10GΩ的标准电阻器11与被校源表2和电压发生器12相连接。每一个电流量程需要换接不同的标准电阻器。

根据表2，将被校源表2的三同轴BNC接口的芯线输出电压U _PRT设置为与校准点电流I _标准以及被校源表2的工作象限对应的电压+100V。

启动被校源表2，由于被校源表2、标准电阻器11、电压发生器12这三者接口内屏蔽层直接相连，则U' _GRD为+100V。

启动电压发生器12，微控制器128控制数模转换器127，经输出放大器124输出电压U _STD。根据表2，电压发生器12输出的电压U _STD极性与校准点的电流I _标准极性相反，通过微控制器128进行调整，使电压发生器的输出U _STD达到公式（5）的计算值。

(5)

电压基准125选用ADR4550BRZ，ADR4550BRZ是一款高精度、低功耗、低噪声基准电压源，其输出的电压为+5V_DAC。数模转换器127选用LTC2756ACG，LTC2756ACG是一款18位串行输入转换器，通过使用+5V_DAC为参考基准可以输出±10V的电压，完全覆盖表1中对标准电压的要求。

根据公式（3），流过电阻的电流I _REF为：

(6)

最后，读取并记录被校源表2的微电流指示值I _示值，通过公式（4）计算微电流的指示误差值，完成+1nA在第Ⅰ象限的校准。

使用以上方法对表2中其它校准点进行校准，最终完成被校源表2吉时利6430型的直流微电流指示1nA校准点的四象限校准。

采用本发明实施例的源表直流微电流指示四象限校准装置和方法，可以在被校源表输出电压极性不变的情况下，通过改变校准装置中电压发生器的输出电压极性来改变校准回路中电流极性，使源表工作于源模式或者阱模式，从而能够在校准回路中产生对应的源电流或阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (5)

1.一种源表直流微电流指示四象限校准装置，其特征在于，包括标准电阻器和电压发生器，被校源表、标准电阻器、电压发生器的接口均采用三同轴BNC接口，被校源表、标准电阻器、电压发生器通过三同轴BNC接口依次连接从而构成校准回路，所述三同轴BNC接口包括芯线、内屏蔽层和外屏蔽层，被校源表、标准电阻器、电压发生器的接口的内屏蔽层之间通过连接线连接，被校源表、标准电阻器、电压发生器的接口的外屏蔽层通过连接线连接；

所述标准电阻器包括电阻和金属屏蔽壳体，所述标准电阻器的接口包括与被校源表的接口连接的第一接口以及与电压发生器的接口连接的第二接口，所述第一接口与所述第二接口的内屏蔽层通过导体短接，所述第一接口与所述第二接口的芯线通过所述电阻连接，所述第一接口与所述第二接口的外屏蔽层通过所述金属屏蔽壳体短接；

所述电压发生器能够以被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层电压为参考，输出极性与校准回路中电流极性相反的电压，从而在校准回路中产生对应的源电流或阱电流，实现源表直流微电流指示的四象限校准。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电压发生器包括参数输入单元、数模转换器、输出放大器、微控制器和跟随器，所述参数输入单元用于设置校准点电流I _标准以及与校准点电流对应的电阻阻值R _REF，并发送给所述微控制器；

所述跟随器与所述电压发生器的接口的内屏蔽层连接，将被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层电压输出给所述数模转换器作为参考地；

所述数模转换器和输出放大器用于输出极性与校准回路中电流极性相反的电压U _STD；

所述微控制器用于控制所述数模转换器和输出放大器输出的电压U _STD达到下式的计算值：

。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压发生器还包括电源模块和电压基准，所述电源模块为所述数模转换器、输出放大器、电压基准、参数输入单元、微控制器提供隔离的供电电源，所述电压基准用于为所述数模转换器提供参考基准。

4.一种源表直流微电流指示四象限校准方法，其特征在于，利用权利要求1-3中任一项所述的装置进行被校源表的直流微电流指示的四象限校准，所述方法包括以下步骤：

启动被校源表，被校源表的三同轴BNC接口的芯线输出电压为U _PRT，内屏蔽层输出电压为U _GRD；

启动电压发生器，电压发生器以被校源表的三同轴BNC接口的内屏蔽层输出电压U _GRD为参考，产生电压信号U _STD；

如下计算校准回路中的电流I _REF：

；

读取被校源表的微电流指示值I _示值，如下计算指示误差值，完成该微电流校准点的校准：

；

依次进行所有校准点的校准，从而完成被校源表的直流微电流指示的四象限校准。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，电压发生器产生电压信号U _STD的步骤包括：

设置校准点电流I _标准以及与校准点电流I _标准对应的电阻阻值R _REF；

使用连接线将标称阻值为R _REF的标准电阻器与被校源表和电压发生器相连接；

将被校源表的三同轴BNC接口的芯线输出电压U _PRT设置为与校准点电流I _标准以及被校源表的工作象限对应的电压；

进行调整，使电压发生器的输出电压U _STD达到下式的计算值：

。