DE4041845A1

DE4041845A1 - Measuring circuitry for low currents esp. for automatic test system - has operational amplifier supplying analogue multiplexer connected to measuring input directly at inverting input and via relay at non-inverting input

Info

Publication number: DE4041845A1
Application number: DE19904041845
Authority: DE
Inventors: Klaus Richter
Original assignee: Halbleiterwerk GmbH Frankfurt Oder
Current assignee: Halbleiterwerk GmbH Frankfurt Oder
Priority date: 1990-12-24
Filing date: 1990-12-24
Publication date: 1992-06-25

Abstract

A drive amplifier (2) output is connected to the measuring input (4) via a relay (1), its input providing the reference voltage input (3). An integration capacitor (5) is connected to the inverting input of an operational amplifier (6), its other terminal being connected also to the inverting input of another operational amplifier (7) as well as to the output of the latter. The non-inverting input of this second operational amplifier is connected to one terminal of another capacitor (12) whose other terminal is earthed as well as to the multiplexer (8) output. The control inputs (10, 11) of the analogue multiplexer also represent the control inputs of the circuitry. USE/ADVANTAGE - Measuring currents in nano and pico ampere range. Short measuring time at high resolution.

Description

Die Erfindung findet Anwendung bei der Messung kleiner Ströme, insbesondere in automatischen Testsystemen.The invention finds application in the measurement of small currents, in particular in automatic test systems.

Bekannte technische Lösungen für die Messung von Strömen im Nano- und Piko-Ampere-Bereich beruhen zumeist auf dem Prinzip der Messung des Spannungsabfalls über einen Meßwiderstand. In der PS EP 03 32 547 ist eine Schaltungsanordnung zur Strommessung offenbart, die einen Eingangsstrom in eine stromproportionale Spannung umwandelt. Die Bezugsspannung für die Strommessung wird in dieser Anordnung mit Hilfe einer OPV-Schaltung nachgeregelt, so daß sich eine Strommessung ohne Spannungsabfall in der Meßleitung ergibt.Known technical solutions for the measurement of currents in the nano and Pico-ampere ranges are mostly based on the principle of measuring the voltage drop via a measuring resistor. In PS EP 03 32 547 there is one Circuit arrangement for current measurement discloses an input current converted into a voltage proportional to the current. The reference voltage for the Current measurement is readjusted in this arrangement with the help of an OPV circuit, so that a current measurement without voltage drop occurs in the measuring line results.

Das Verfahren der Strommessung durch Auswertung des Spannungsabfalls über einen Meßwiderstand ist jedoch für kleine Ströme insbesondere bei Messung in einer störungsbehafteten Umgebung kritisch, da der Meßwiderstand sehr groß wird oder extrem kleine Spannungen ausgewertet werden müssen.The method of current measurement by evaluating the voltage drop across however, a measuring resistor is for small currents, especially when measuring critical in a noisy environment because of measuring resistance becomes very large or extremely small voltages have to be evaluated.

Die genannte Störempfindlichkeit wird durch den Einsatz integrierender Verfahren verbessert, bei denen auf einem Integrationskondensator eine dem zu messenden Strom proportionale Spannung aufintegriert wird. Durch entsprechende Wahl der Integrationszeit lassen sich Störungen durch Einsteuerung aus dem Netz unterdrücken. Eine Schaltung zur Erzeugung einer Rampenspannung ist beispielsweise in der PS US 45 16 036 gegeben. In dieser Schaltungsanordnung wird eine zeitproportionale Spannung erzeugt. Die Zeitkonstante der Umsetzung ist mit Hilfe eines Potentiometers veränderbar, das den Ladestrom für einen Integrationskondensator bestimmt.The mentioned sensitivity to interference is more integrating Improved methods in which the integration capacitor on a proportional voltage to be measured is integrated. By appropriate The integration time can be selected by interference suppress from the network. A circuit for generating a ramp voltage is given, for example, in PS US 45 16 036. In this circuit arrangement a voltage proportional to time is generated. The time constant the implementation can be changed with the help of a potentiometer determines the charging current for an integration capacitor.

Für den Einsatz des Integrationsverfahrens für die Strommessung ist es notwendig, den zu messenden Strom während einer genau definierten Zeit verlustlos auf eine Intgratorschaltung zu führen, wobei die Spannung am Strommeßeingang auf einem definierten Potential verbleiben muß. Wegen der extremen Anforderungen an die Rastströme und Steuerkapazitäten des Schalters kommen in bekannten Lösungen hier Relais zum Einsatz, die jedoch ein undefiniertes dynamisches Verhalten aufweisen, wodurch die Ladezeit, deren Fehler vollständig in das Meßergebnis eingeht, undefiniert wird. Große Meßfehler oder lange Meßzeiten sind die Folge.It is for the use of the integration method for current measurement necessary, the current to be measured for a precisely defined time to lead lossless to an integrator circuit, the voltage at Current measurement input must remain at a defined potential. Because of the extreme demands on the raster currents and control capacities of the Switches are used in known solutions here, but they do have an undefined dynamic behavior, whereby the loading time, their Error is fully included in the measurement result, is undefined. Large measurement errors or long measurement times are the result.

Aufgabe der Erfinder ist es, bei extrem geringem Aufwand kurze Meßzeiten sowie hohe Auflösungen und Genauigkeiten bei der Messung kleiner Ströme zu erreichen.The task of the inventors is short measuring times with extremely little effort as well as high resolutions and accuracies when measuring small currents to reach.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem Meßeingang über ein Relais ein Treiber mit seinem Ausgang angeschlossen ist, dessen Eingang den Referenzspannungseingang darstellt.According to the invention the object is achieved in that at a measuring input a driver is connected to its output via a relay, whose input represents the reference voltage input.

Mit dem Ausgang des Treibers ist weiterhin ein erster Operationsverstärker mit seinem nichtinvertierenden Eingang verbunden. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers ist auf den Meßeingang und den einen Anschluß eines Integrationskondensators geführt, wobei der andere Anschluß dieses Kondensators mit dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers und einem Meßausgang verbunden ist.With the output of the driver there is still a first operational amplifier connected to its non-inverting input. The inverting input of the first operational amplifier is on the measurement input and one connection of an integration capacitor, the other connection this capacitor with the output and the inverting input of a second operational amplifier and a measurement output is connected.

Der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers ist auf den einen Anschluß eines weiteren Kondensators, dessen zweiter Anschluß mit der Masse verbunden ist, sowie dem Ausgang eines Analogmultiplexers gelegt. Die zum Ausgang dieses Analogmultiplexers gehörigen drei Eingänge sind auf die Masse gelegt, mit keinem anderen Punkt verbunden bzw. auf den Ausgang des ersten Operationsverstärkers geführt. Die beiden Steuereingänge des Analogmultiplexers stellen den ersten und zweiten Steuereingang dar.The non-inverting input of the second operational amplifier is open one connection of another capacitor, the second connection is connected to ground, and the output of an analog multiplexer placed. The three inputs belonging to the output of this analog multiplexer are placed on the ground, not connected to any other point or on the Output of the first operational amplifier performed. The two control inputs of the analog multiplexer provide the first and second control inputs represents.

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden, wobei auf Fig. 1 bezug genommen wird.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment, reference being made to FIG. 1.

Vor Beginn der Messung wird das Relais 1 geschlossen. An den Referenzspannungseingang 3 wird eine Referenzspannung angelegt, die am Treiberausgang und über den geschlossenen Relaiskontakt 1 auch am Meßeingang 4 erscheint und den Bezugspegel für die Strommessung darstellt. Die Steuereingänge 10 und 11 der Messchaltung werden so belegt, daß der Ausgang 0 des Ana logmultiplexers mit dem Eingang 11 desselben und damit mit der Masse verbunden ist, wodurch der Kondensator 12 entladen wird, und sich am Eingang des als Spannungsfolger geschalteten zweiten Operationsverstärkers ebenfalls Massepotential einstellt.Relay 1 is closed before the measurement begins. A reference voltage is applied to the reference voltage input 3 , which appears at the driver output and, via the closed relay contact 1, also at the measurement input 4 and represents the reference level for the current measurement. The control inputs 10 and 11 of the measuring circuit are assigned so that the output 0 of the ana log multiplexer is connected to the input 11 of the same and thus to the ground, whereby the capacitor 12 is discharged and to the input of the second operational amplifier connected as a voltage follower also ground potential sets.

Der zweite Operationsverstärker 7 erzeugt daher an seinem Ausgang und damit an einen Anschluß des Integrationskondensators 5 Massepotential. Durch den über das Relais 1 an den Meßeingang 5 der Schaltung geführten Ausgang des Treibers 2 wird an diesem wie auch an dem damit verbundenen anderen Anschluß des Integrationskondensators 5 die Bezugsspannung für die Strommessung gelegt, wodurch sich der Integrationskondensator auf diesen Wert auflädt. Am Meßausgang liegt damit vor Beginn der Messung Massepotential.The second operational amplifier 7 therefore generates 5 ground potential at its output and thus to a connection of the integration capacitor 5 . Through the output of the driver 2 , which is led via the relay 1 to the measurement input 5 of the circuit, the reference voltage for the current measurement is applied to this and to the other connection of the integration capacitor 5 connected to it, as a result of which the integration capacitor charges up to this value. Ground potential is therefore at the measurement output before the start of the measurement.

Für die Strommessung wird nun das Relais 1 geöffnet. Unter Vernachlässigung der Eingangsströme des ersten Operationsverstärkers 6 fließt der gesamte zu messende Strom in den Meßeingang 4 nun in den Integrationskondensator 5, auf dem dadurch eine Spannung aufintegriert wird. Nachdem das Relais 1 sicher geöffnet ist (Abfallzeit), wird die Belegung der Steuereingänge 10 und 11 so geändert, daß der Ausgang des Analogmultiplexers 0 nun mit dem Eingang 13 und damit mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist. Es entsteht somit eine Regelschleife, durch die der Meßeingang 4 ständig auf die am Treiberausgang 2 vorhandene Bezugspannung nachgeführt wird. Das bewirkt, daß die auf dem Integrationskondensator aufintegrierte Spannung am Meßausgang als Differenz zum Massepotential niederohmig meßbar wird. Die Bezugsspannung für die Strommessung bleibt durch die geschlossene Regelschleife erhalten.Relay 1 is now opened for current measurement. Neglecting the input currents of the first operational amplifier 6 , the entire current to be measured now flows into the measuring input 4 into the integration capacitor 5 , on which a voltage is thereby integrated. After the relay 1 is safely opened (fall time), the assignment of the control inputs 10 and 11 is changed so that the output of the analog multiplexer 0 is now connected to the input 13 and thus to the output of the first operational amplifier. A control loop is thus created, by means of which the measuring input 4 is continuously tracked to the reference voltage present at the driver output 2 . This has the effect that the voltage integrated on the integration capacitor at the measuring output can be measured with a low resistance as the difference to the ground potential. The reference voltage for the current measurement is retained by the closed control loop.

Durch den Integrationsvorgang ist die Spannung am Meßausgang 9 schwer zu erfassen. Nach dem Einschwingen der Regelschleife erfolgt daher eine Umschaltung der Belegung der Steuereingänge 10 und 11 derart, daß der Ausgang des Analogmultiplexers mit dem offenen Eingang 12 verbunden wird. The voltage at the measuring output 9 is difficult to detect due to the integration process. After the control loop has settled, the assignment of the control inputs 10 and 11 is switched over in such a way that the output of the analog multiplexer is connected to the open input 12 .

Da nun aus dem Kondensator 12 unter Vernachlässigung der Leckströme keine Ströme mehr fließen, bleibt die Spannung über den Kondensator 12 und damit auch die am Meßausgang 9 stabil und kann gemessen werden. Der Zeitpunkt der Einschaltung der Steuereingänge auf diesen Haltezustand der Meßeinrichtung ist gleichzeitig der Standpunkt für die Zeitzählung der Integrationszeit.Since no currents now flow from the capacitor 12 , neglecting the leakage currents, the voltage across the capacitor 12 and thus also that at the measuring output 9 remains stable and can be measured. The time at which the control inputs are switched on to this holding state of the measuring device is at the same time the point of view for the time counting of the integration time.

Nach erfolgter erster Messung wird durch entsprechende Belegung der Steuereingänge 10 und 11 der Regelkreis wieder geschlossen, wodurch die Spannung am Meßeingang wieder exakt nachgeregelt wird. Nach Ablauf der für den jeweiligen Meßbereich erforderlichen Integrationszeit erfolgt eine erneute Umschaltung auf den Haltezustand und eine erneute Spannungsmessung am Meßausgang.After the first measurement has taken place, the control circuit is closed again by appropriately assigning control inputs 10 and 11 , as a result of which the voltage at the measurement input is readjusted exactly. After the integration time required for the respective measuring range has expired, there is a renewed switchover to the holding state and a new voltage measurement at the measuring output.

Die Differenz zwischen zweitem und ersten Meßwert in exakt proportional zum Mittelwert des während der Meßzeit geflossenen Stromes.The difference between the second and the first measured value is exactly proportional to the mean value of the current flowing during the measuring time.

Aus obenstehender Beschreibung geht hervor, daß das einzige Bauelement mit höchsten Anforderungen an die Leckströme der ersten Operationverstärker ist. Das zeitliche Verhalten des Relais hat keinen Einfluß auf die Reproduzierbarkeit der Meßwerte, da das Timing der Abtastung des Meßwerte über den Analogmultiplexer 8 realisiert wird. Aus beiden Tatsachen ergit sich eine wesentliche Erhöhung der Meßgenauigkeit und Verringerung der Meßzeiten gegenüber bekannten technischen Lösungen.It can be seen from the above description that the only component with the highest leakage current requirements is the first operational amplifier. The temporal behavior of the relay has no influence on the reproducibility of the measured values, since the timing of the sampling of the measured values is realized via the analog multiplexer 8 . Both facts result in a significant increase in measuring accuracy and a reduction in measuring times compared to known technical solutions.

Claims

Circuit arrangement for measuring small currents consisting of a relay, a driver, a reference voltage input, a measuring input, an integration capacitor, two operational amplifiers, an analog multiplexer, a measuring output, a first and second control input and a capacitor, characterized in that the measuring input ( 4 ) via a relay ( 1 ) the driver ( 2 ) is connected to an output whose input represents the reference voltage input ( 3 ), with the output of the driver ( 2 ) a first operational amplifier ( 6 ) is connected with its inverting input, the inverting one Input of the first operational amplifier ( 6 ) to the measurement input ( 4 ) and one connection of the integration capacitor ( 5 ), the other connection of which is connected to the output and the inverting input of the second operational amplifier ( 7 ) and the measurement input ( 4 ) is the non-inverting input of the second operati ons amplifier ( 7 ) with the one connection of the capacitor ( 12 ), the second connection of which is connected to ground, and the output of an analog multiplexer ( 8 ) is connected, the inputs ( 11 ), ( 12 ) and an analog multiplexer are connected to ground , not connected to any other point or to the output of the first operational amplifier ( 6 ), the two control inputs of the analog multiplexer ( 8 ) forming the first and second control inputs ( 11 ) and ( 12 ) of the circuit arrangement.