CN220043382U - 一种精密输出放大电路、应用该电路的负载检测电路及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种精密输出放大电路、应用该电路的负载检测电路及装置，该输出放大电路通过运算放大器和变阻器的使用实现仅使用单一的精密输出单元对待测负载提供精密大电流，节省检测通道资源，降低测试成本，同时通过设计两路可供选择的快速电压检测电路和精密电压检测电路，应用开尔文四线法和控制器，使得该检测电路具备快速检测功能和高精度检测功能，并实现检测模块的切换，充分满足不同测试场景的需求。

Description

一种精密输出放大电路、应用该电路的负载检测电路及装置

技术领域

本发明涉及半导体测试领域，尤其涉及精密电流放大及检测技术。

背景技术

PMU(Precision Measurement Unit)是一种精密测量单元，在ATE(AutomaticTest Equipment)中，PMU(Precision Measurement Unit)用于精确测量电路参数。它通常由多个通道组成，每个通道都有一个精密的测量器件(例如模数转换器)和一个放大器来保证高精度的测量。PMU常常被用于半导体芯片或电路板的生产测试中，测量电路的参数如电压、电流、频率、阻抗等等。通过比较被测设备的实际输出与预期输出，根据两者的差异，ATE可以确定电路是否符合规格要求。使用PMU可以提高测试精度和可靠性，并且可以有效地检测和定位电路中的故障。同时，PMU还可以记录测量数据并生成报告，方便工程师进行进一步的分析和优化。

但是当前的通信行业及消费电子行业发展迅速，市场对产品性能提出了更高的要求，极大推动了半导体器件小型化，集成化的发展进程。相应的，半导体器件的测试技术也有了更高的要求，整体趋势上，负载的功能越来越多，电流越来越大，导致测试条件越来越多，成本越来越高。单个PMU测试半导体芯片或电路板时，输出电流大小开始不能满足被测负载的测试需求，现有测试方法是通过同时使用多个PMU来为被测负载供电，这种测试方法虽然可以得到被测负载需要的驱动电流或电压，但是PMU的多个测试通道将被浪费，通道资源处于冗余状态，增大了测试成本。另一方面，目前市面上多数PMU设备中已集成的模数转换器精度达不到更高的测试精度需求，实际测量数值与期望测量数值之差小于PMU中模数转换器的分辨率。此外，由于测试要求的复杂度越来越高，实际生产测试过程中，有时需要进行快速检测，有时需要进行高精度检测，现有测试方法不能灵活适应不同的测试任务。

发明内容

基于此，本发明主要针对检测芯片时，PMU输出电流比较小的问题，提出一种可以将PMU输出的电流进行放大的电路。同时，兼顾满足快速检测和高精度检测的测试需求，设计一种具有两个不同检测路径的负载检测电路。由此最终实现降低测试成本的目的。

为了达成上述目的，本说明书实施例提供以下技术方案：

本发明在第一方面提供了一种精密输出放大电路，包括：

电源模块；

精密输出单元；

输出放大模块；

所述精密输出单元之输入端与所述电源模块输出端相连；

所述精密输出单元之输出端与所述输出放大模块的激励输入端相连；

所述输出放大模块，包括第一运算放大器，变阻器，所述第一运算放大器的输出端与所述变阻器一端连接，所述变阻器另一端接地。

进一步的，所述精密输出单元可编程调节输出电压。

进一步的，所述精密输出单元的高精度输出设备数量仅为1。

优选的，所述变阻器为滑动变阻器、旋钮变阻器、线性变阻器、电容变阻器中一种或多种的组合。

优选的，所述精密输出单元使用的高精度输出设备为PMU或高精度数模转换器。

本发明在第二方面提供了一种负载检测电路，其特征在于，包括：

检流电阻；

快速电压检测模块，；

如第一方面所述的精密输出放大电路；

控制器；

所述快速电压检测模块包括第二运算放大器；

所述检流电阻串联于所述精密输出放大电路与被测负载之间，所述快速电压检测模块与检流电阻并联，通过开尔文四线法检测所述检流电阻两端电压，通过所述第二运算放大器放大后传至所述控制器，由所述控制器中集成的低精度模数转换器进行电压数据的采集与处理。

进一步的，所述快速电压检测模块还包括滑动变阻器，所述滑动变阻器两端分别接入所述第二运算放大器的正、负输入端，电压增益范围为1-1000。

优选的，所述控制器的信号端口还通过SPI协议连接于所述精密输出单元，电压调节指令可通过控制器传输给所述精密输出单元，并读取所述精密输出单元的寄存器内容。

进一步的，所述负载检测电路还包括精密电压检测模块，所述精密电压检测模块包括两路由第三运算放大器和继电器串联组成的电压检测电路和一模数转换器，所述第三运算放大器的输入端分别连接于检流电阻两端，分别检测所述检流电阻两端电压信号，输出端分别连接于两个继电器输入端；所述两路电压检测电路的继电器的输出端均连接于一模数转换器的输入端；所述模数转换器的输出端连接于所述控制器的信号端口，所述控制器可接收电压检测信号并通过控制GPIO的电平高低来控制所述继电器开路或闭合。

优选的，所述精密电压检测模块中的模数转换器为分辨率位数在16位以上的高精度模数转换器。

本发明在第三方面提供了一种精密输出放大及负载检测装置，包括：

壳体；

被测负载连接口；

如上述第二方面各方案提供的负载检测电路。

基于上述设计，本发明的有益效果是：

第一，本发明通过PMU的输出电流经运算放大器放大，变阻器对电流的放大倍数进行调整，同时，运算放大器配合常规电阻使用时，由于实际生产的电阻存在无法消除的误差，导致放大倍数一般都存在1％或更高的精度误差，而使用变阻器可以得到精度更高的放大倍数。

第二，当测试负载的驱动电流过小时，现有的技术手段是同时使用多个PMU输出电流来驱动负载，而本发明的放大电路可以只使用一个PMU就得到合适的电流来驱动负载，节省PMU通道资源，降低测试成本，同时保证了电流放大精度，避免电流过大损坏负载。

第三，本发明通过使用开尔文四线法对放大的电流进行检测，避免PCB基板上导线电阻造成的压降影响，保证测试精度不受影响。

第四，本发明的快速电压检测模块的输出信号可直接传输给PMU中的模数转换器，不需要外部模数转换器处理，检测速度较快；精密电压检测模块使用PMU外部模数转换器，精度可选择12位以上甚至24位，充分满足高精度测试需求。

第五，本发明的控制器可控制精密电压检测模块的通路与断路，实现快速电压检测模块与精密电压检测模块的切换，灵活应对不同测试任务。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本申请中的精密输出放大电路模块示意图；

图2是本申请中的精密输出放大电路连接示意图；

图3是本申请中的快速负载检测电路模块示意图；

图4是本申请中的快速负载检测电路连接示意图；

图5是本申请中的快速电压检测电路元件示意图；

图6是本申请中的负载检测电路模块示意图；

图7是本申请中的负载检测电路连接示意图；

图8是本申请中的精密电压检测电路元件示意图；

图9是本申请中的精密输出放大及负载检测装置示意图；

附图标记说明：

1.精密输出放大电路；2.负载检测电路；3.精密输出放大及负载检测装置；4.被测负载；11.电源模块；12.精密输出单元；13.输出放大模块；20.快速负载检测电路；21.控制器；22.快速电压检测模块；23.检流电阻；24.精密电压检测模块；31.壳体；32.负载接口；110.电源；111.PMIC_1；112.PMIC_2；113.PMIC_3；121.PMU；131.第一运算放大器；132.变阻器；211.MCU；212.上位机；221.第二运算放大器；2413.第三运算放大器；2414.第四运算放大器；2421.第一继电器；2422.第二继电器；243.模数转换器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图示中仅显示与本申请中有关的元件而非按照实际实施时的元件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各元件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其元件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。

在测试半导体芯片或电路板时，往往需要通过精密输出单元对目标负载进行测试，但单个精密输出单元输出电流大小有时不能满足被测负载的测试需求，因此只能同时使用多个精密输出单元来为被测负载供电，这种测试方法虽然可以得到被测负载需要的驱动电流或电压，但是精密输出单元的多个测试通道将被浪费，通道资源处于冗余状态，严重增大了测试成本。有鉴于此，在半导体器件及电路的生产测试过程中，为应对多个精密输出单元使用成本过高及通道资源浪费的问题，发明人通过对常规测试电路和常规放大电路的深入研究，兼顾高精度测试需求，改进了现有的半导体测试方法和电路，发现：运算放大器和变阻器的组合使用可以达成精密输出放大且节约测试通道及检测成本的目的；同时，采用可选择的两种检测模块可实现不同测试场景的灵活切换。

基于此，本说明书在第一方面提出了一种精密输出放大电路的方案，如图1所示精密输出放大电路模块示意图，所述精密输出放大电路1包括：电源模块11、精密输出单元12、输出放大模块13，其中，所述精密输出单元12之输入端与所述电源模块11之输出端相连,所述电源模块11为所述精密输出单元12供电；所述精密输出单元12之输出端与所述输出放大模块13的激励输入端相连；图2所示为所述精密输出放大电路1的电路连接示意图，其中所述输出放大模块13至少包括第一运算放大器131，变阻器132，所述第一运算放大器131的输出端与所述变阻器132一端连接，所述变阻器132另一端接地。

图2中，所述电源模块11包括电源110，电源管理芯片111，所述电源管理芯片111将电源输出调整为精密输出单元12工作所需幅值。但应该理解的是所述电源管理芯片并非电源模块11所必备之结构，凡是能实现电源输出调整功能的结构或模块均可作为电源模块之组成部分，其不应被理解为对权利要求保护范围的限定。

在本实施例中，本发明的所述精密输出单元的高精度输出设备数量仅为1，通过仅使用一个高精度输出设备来驱动被测负载，节省此设备的通道资源，达到节省测试成本的目的。进一步的，所述精密输出单元12优选为可编程调节输出电压的精密输出单元，通过编程调节输出电压，省去传统测试方法更换电源的步骤，可为不同的被测负载灵活调节所需驱动电压或电流，从而进一步增强该电路应对测试需求变化的能力。

优选的，本实施例的所述变阻器为滑动变阻器、旋钮变阻器、线性变阻器、电容变阻器中一种或多种的组合，且更优选为滑动变阻器，本发明通过选用滑动变阻器SM-43TW203来配合第一运算放大器，由于滑动变阻器阻值可调且精度高，克服了常规电阻的固定阻值存在精度误差的问题，从而克服了输出放大倍数的精度误差问题。上述应理解为，虽然本实施例采用的变阻器为滑动变阻器，但该变阻器类型不应该理解为对权利要求保护范围的限定，凡是能够实现阻值变化的变阻器件都应包含在本发明的保护范围之内。

优选的，本实施例所述的精密输出单元12优选为高精度数模转换器，且更优选为PMU，此高精度输出设备可通过SPI协议与微控制器通信，微控制器可以将电脑输入的电压调节编程指令传输给此高精度输出设备实现电压调节功能。但应理解的是，虽然本优选实施例采用的精密输出单元为PMU，但该精密输出单元所选设备类型不应该理解为对权利要求保护范围的限定，凡是能够实现精密输出电压或电流的器件或设备都应包含在本发明的保护范围之内。

本说明书在第二方面提出了一种快速负载检测电路20，图3所示为所述快速负载检测电路20模块示意图，所述快速负载检测电路20包括：控制器21、快速电压检测模块22、检流电阻23，以及上述第一方面所提供的精密输出放大电路1。其中，所述精密输出放大电路1为仅有1个精密输出单元的精密输出放大电路，所述检流电阻23串联于所述精密输出放大电路1与被测负载4之间，所述精密输出放大电路1将放大后的电流经检流电阻23输送给被测负载，所述快速电压检测模块22与检流电阻并联，检测检流电阻23两端的电压值，将此两端电压差传输给第一方面所述优选实施例中的可编程调节电压的精密输出单元12中，再经由SPI协议传输给所述控制器21，但应该理解的是采用的协议不应理解为对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员也可根据需要选择其他协议进行数据传输。优选的，所述控制器21还与快速电压检测模块22进行连接，控制所述快速电压检测模块的开闭。

进一步的，如图4所示的快速负载检测电路连接示意图，所述快速电压检测模块22包括第二运算放大器221。所述快速电压检测模块22通过开尔文四线法检测所述检流电阻23两端电压，所述第二运算放大器221输入端接线作为两根电压检测线，所述检流电阻23两端连接线作为电源线，所述电压检测线与电源线紧贴检流电阻23两端点相连接，保证开尔文四线法的实现，以此避免电路板中导线电阻的压降影响所述快速电压检测模块的检测精度。

具体而言，如图5所示的快速电压检测电路元件示意图，包括：第二运算放大器221，选用运放型号为INA826，滑动变阻器P1，选用型号为SM-43TW203，其阻值范围为1-20kΩ，检流电阻R1，其阻值为10mΩ，上述实施例中的第一运算放大器输出端口、PMU输入端口Sense_2；所述滑动变阻器P1两端分别与所述INA826的正负输入端相连接，检流电阻R1两端也与INA826的正负输入端相连接，所述INA826的输出端与所述PMU的Sense_2相连接。所述第一运算放大器221的输出电流通过检流电阻R1后，检流电阻R1的后端电压会发生变化，所述INA826测量的电压值通过sense_2通路将数据保存到PMU的寄存器；MCU读取PMU寄存器的值,通过欧姆定律I＝U/R计算得到电流值，将得到的电流值通过上位机进行读取。

进一步的，本说明书在第二方面提供另一优选负载检测电路2，所述负载检测电路2包括：控制器21、快速电压检测模块22、精密电压检测模块24，检流电阻23，以及上述第一方面所提供的精密输出放大电路1。其中，所述精密输出放大电路1为仅有1个精密输出单元的精密输出放大电路。图6所示为该优选实施例的负载检测电路模块示意图，与上述实施例相比，本实施例增设一组精密电压检测模块24，所述精密电压检测模块24能够高精度检测检流电阻23两端的电压值。图7所示为该优选实施例的负载检测电路连接示意图，所述精密检测模块24包括由第三运算放大器2413和第一继电器2421串联组成的电压检测电路和由第四运算放大器2414和第二继电器2422串联组成的电压检测电路以及一模数转换器243，所述第一继电器2421和所述第二继电器2422分别连接于所述模数转换器243的两个输入端，所述第三运算放大器2413和所述第四运算放大器2414的输入端分别接于所述检流电阻23的两端，分别检测所述检流电阻23两端电压信号，经过所述第一继电器2421和所述第二继电器2422将电压信号传输到所述模数转换器243，所述模数转换器243内的两个信号通道将两个模拟电压信号转换为数字信号后，将数字信号传输给所述控制器21。所述模数转换器243与所述控制器21之间采用SPI-1协议进行通信，但应该理解的是采用的协议不应理解为对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员也可根据需要选择其他协议进行数据传输。

优选的，所述模数转换器为243为高精度模数转换器AD7175-2，其精度为24位，满足高精度测试需求，但应该理解的是该高精度模数转换器所选芯片型号AD7175-2不应理解为对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员也可根据需要选择型号的高精度模数转换器。

进一步的，所述控制器21包括微控制器211和上位机212，可接收并显示电压检测信号，控制所述第一继电器2421和所述第二继电器2422的开路或闭合(未示出)，如需快速进行测试任务，可将所述第一、第二继电器断路，直接采用快速电压检测模块22，如需进行高精度检测任务，可将所述第一、第二继电器闭合，采用精密电压检测模块24，从而实现在不同的实际测试场景下，根据测试精度的需求选择是否采用精密电压检测模块24。

具体而言，图8所示为精密电压检测电路元件示意图，所述精密电压检测电路24包括：两个运算放大器，其型号均为LTC1052/101，两个继电器，其型号均为SW-SPDT；一个ADC，其型号为AD7175-2；检流电阻R1，其阻值为10mΩ；上述实施例中的第一运算放大器输出端口。所述两个LTC1052/101的负输入端与输出端相连，正输入端分别与检流电阻R1的两端相连，输出端分别与两个继电器相连；所述ADC的选通两个输入端分别与两个继电器相连，接收并处理两路检测信号数据。所述第一运算放大器输出端口输出的电流通过检流电阻R1后，检流电阻R1的后端的电压会发生变化，检流电阻R1两端的电压通过所述两个运算放大器的正输入端，从所述两个运算放大器的输出端，经所述两个继电器传输至所述ADC，所述ADC将模拟电压信号转换为数字信号，将数字信号数据通过SPI协议发送到上述实施例中的MCU，所述MCU通过欧姆定律I＝U/R计算得到电流值，所述MCU将得到的电流值传输到上述实施例所述上位机。

本说明书在第三方面提供了一种精密输出放大及负载检测装置3，如图9所示，所述精密输出放大及负载检测装置3包括壳体31、负载接口32和上述第二方面各实施例所述的快速负载检测电路20或负载检测电路2。所述快速负载检测电路20或负载检测电路2集成于一壳体31内，通过负载接口32连接被测负载4，简化测试人员的测试连接操作。

本说明书中，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的实施例而言，描述比较简单，相关之处参见前述实施例的部分说明即可。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种精密输出放大电路，其特征在于，包括：

电源模块；

精密输出单元；

输出放大模块；

所述精密输出单元之输入端与所述电源模块输出端相连；

所述精密输出单元之输出端与所述输出放大模块的激励输入端相连；

所述输出放大模块，至少包括第一运算放大器，变阻器，所述第一运算放大器的输出端与所述变阻器一端连接，所述变阻器另一端接地。

2.如权利要求1所述的精密输出放大电路，其特征在于，

所述精密输出单元可编程调节输出电压。

3.如权利要求1所述的精密输出放大电路，其特征在于，

所述精密输出单元的数量仅为1。

4.如权利要求1所述的精密输出放大电路，其特征在于，

所述变阻器为滑动变阻器、旋钮变阻器、线性变阻器、电容变阻器中一种或多种的组合。

5.如权利要求1-4任一项所述的精密输出放大电路，其特征在于，

所述精密输出单元使用的高精度输出设备为PMU或高精度数模转换器。

6.一种负载检测电路，其特征在于，包括：

如权利要求1-5中任一项所述的精密输出放大电路；

检流电阻；

快速电压检测模块；

控制器；

所述快速电压检测模块包括第二运算放大器；

所述检流电阻串联于所述精密输出放大电路与被测负载之间，所述快速电压检测模块与检流电阻并联，通过开尔文四线法检测所述检流电阻两端电压，通过所述第二运算放大器放大后传至所述控制器，由所述控制器中集成的低精度模数转换器进行电压数据的采集与处理。

7.如权利要求6所述的负载检测电路，其特征在于，

所述快速电压检测模块还包括滑动变阻器，所述滑动变阻器两端分别接入所述第二运算放大器的正、负输入端，电压增益范围为1-1000。

8.如权利要求6或7所述的负载检测电路，其特征在于，

所述控制器的信号端口还通过SPI协议连接于所述精密输出单元，电压调节指令可通过控制器传输给所述精密输出单元，并读取所述精密输出单元的寄存器内容。

9.如权利要求8所述的负载检测电路，其特征在于，还包括精密电压检测模块，

所述精密电压检测模块包括两路由第三运算放大器和继电器串联组成的电压检测电路和一模数转换器，

其特征在于，

所述第三运算放大器的输入端分别连接于检流电阻两端，分别检测所述检流电阻两端电压信号，输出端分别连接于两个继电器输入端；

所述两路电压检测电路的继电器的输出端均连接于一模数转换器的输入端；

所述模数转换器的输出端连接于所述控制器的信号端口，所述控制器可接收电压检测信号并控制所述继电器开路或闭合。

10.如权利要求9所述的负载检测电路，其特征在于，所述精密电压检测模块中的模数转换器为分辨率位数在12位以上的高精度模数转换器。

11.一种精密输出放大及负载检测装置，其特征在于，包括壳体、被测负载连接口和如权利要求6-10中任一项所述负载检测电路。