一種高精度電壓基準源的測試方法

姜吉　張文輝

摘 要：本文介紹了高精度電壓基準源的基本原理，設計一種在元器件篩選中對高精度電壓基準源的測試方法，對高精度電壓基準源的輸出電壓、穩(wěn)定度參數(shù)等技術指標進行精準檢測，測試結果滿足技術精度要求。

關鍵詞：高精度電壓基準；測試；穩(wěn)定度

中圖分類號：TN432 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0080-03

0 引言

基準電壓源或電壓基準（Voltage Reference）通常指的是在電路中用作電壓基準的高穩(wěn)定度的基準源。隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，尤其是系統(tǒng)集成技術（SOC、VLSI）的發(fā)展，電壓基準源成為了大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和幾乎所有數(shù)字模擬系統(tǒng)中不可缺少的基本電路組成部分。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、線性穩(wěn)壓器等很多集成電路和單元中，都需要高精度而又輸出很穩(wěn)定的電壓基準。比如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，DC電壓基準與模擬輸入信號一起用于數(shù)字化輸出信號的產(chǎn)生；在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，DAC根據(jù)輸入端上的數(shù)字輸入信號，從DC基準電壓中選擇和產(chǎn)生模擬輸出；在精密測量儀器儀表和應用數(shù)字通信系統(tǒng)中通常將電壓基準源用系統(tǒng)測量和校準的基準。

二十世紀七十年代以來，基于MOS晶體管的基本理論和制造技術的深入研究、電路設計和工藝技術的進步，MOS模擬集成電路得到了高速發(fā)展。CMOS集成電路由于其工藝簡單、器件面積小、集成度高和低功耗等優(yōu)點，現(xiàn)已經(jīng)成為了數(shù)字集成電路產(chǎn)品的主流。在這樣的背景下，由于低成本、高性能，基于標準數(shù)字CMOS工藝的各種高精度模擬集成電路產(chǎn)品備受人們關注，并很快成長為集成電路技術中的一個重要研究領域。而各種高精度電壓基準源由于數(shù)字模擬系統(tǒng)中的廣泛應用，更加具有廣闊的開發(fā)與應用前景。

目前很多設備可以進行電壓基準源測試，但是由于精度不夠，測試結果數(shù)據(jù)偏離較大，無法判斷結果數(shù)據(jù)的可靠性。現(xiàn)在大多測試設備都采用激勵-響應測試方法，在測試過程中通過搭建外圍電路聯(lián)通測試設備和被測元器件，進行測試，但該過程引入了額外的輸入阻抗和輸出阻抗，使元器件輸入端和輸出端產(chǎn)生一個電壓差，從而影響元器件的測試結果數(shù)據(jù)，尤其是在高精度電壓基準源測試過程中。本文根據(jù)設備資源的合理利用，引入精度高的外接萬用表（Keithley 2000），采用開爾文測試方法，精準地測試高精度電壓基準源。該測試方法保證了檢測方法的科學規(guī)范，器件參數(shù)測試的準確可靠，保障了型號產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 研究內(nèi)容

根據(jù)高精度電壓基準源的特點及技術要求，利用現(xiàn)有技術手段、相關測試設備及積累的測試方法和經(jīng)驗，開展對該器件的測試研究。研制出測試速度快、精度高、性能可靠的高精度電壓基準源測試方法，以滿足型號用高精度電壓基準源可靠性檢測篩選的需求。如圖1所示。

2 四線開爾文測試方法

STS 8000系列測試系統(tǒng)測試原理符合國標、軍標和行業(yè)標準，是目前很多電子整機院所、企業(yè)、檢測認證中心等單位的理想檢測設備。該系統(tǒng)具使用簡單可靠的實用特點，提供了填表式的PGS編程方式和開放式的C語言的編程環(huán)境，硬件系統(tǒng)兼容STS 8000系列模塊，可根據(jù)需求進行選配和擴展。設備測試框架如圖2所示。

系統(tǒng)采用獨特的四線開爾文測試原理，并通過開放的底層C語言控制各個硬件模塊和外接萬用表，完成高精度電壓基準源的測試。系統(tǒng)的積分式V/I源主要由NULL放大器、積分放大器、功率放大器及相關外圍線路構成，三級放大器均為反相放大器，構成一個負反饋的閉環(huán)環(huán)境。其原理框圖如圖3所示。

從原理圖中可以看出輸出端的電流采樣差分放大器用于采集V/I源的輸出電流，用于反饋（恒流）和測量（測流），電流差分放大器的一個輸入端是V/I源的輸出端（FORCE端），電壓緩沖器（跟隨器）用于采集V/I源的輸出電壓（SENSE端），且二者都具有很高的輸入阻抗，從而保證V/I源的小電流測量及恒流精度。輸出控制線路用于接通和斷開功率運放的輸出，為保證用戶端的電壓精度，輸出采用四線開爾文線路，即輸出線分為FORCE線和SENSE線，兩條線同時接通和斷開。FORCE線和SENSE線之間接入雙向二極管，使兩線之間保持相同的電位，從而使得V/I源輸出端斷開時閉環(huán)環(huán)路不至于開環(huán)，保證環(huán)路一直保持閉合狀態(tài)。

FORCE線用于電流的輸入和輸出，只有FORCE線中會流過負載電流Iload，SENSE線用于電壓的反饋和測量，其輸入端接有高阻抗輸入的緩沖器，因此SENSE線中不會有電流流過，即便有附加電阻也不會產(chǎn)生附加的電壓降。FORCE線中的附加電阻雖然在電流下會產(chǎn)生附加的電壓降，但是由于SENSE線獨立接到負載兩端，很有效地除掉了FORCE線中附加電阻和電壓降的作用，從而保證負載兩端的電壓的驅(qū)動和測量精度。V/I源四線開爾文測試的示意圖如圖4、圖5所示。

非浮動V/I源與浮動V/I源的差別就在于非浮動V/I源沒有FORCE L和SENSE L，但是AGND和DGS（Device Ground Sense）所起到的作用是完全一樣的，只是在系統(tǒng)中多路V/I源共用了同一組AGND和DGS，因此從四線開爾文測試的角度講，在實際測試電路中，非浮動V/I源與浮動V/I源兩者可以達到相同的測試結果。

3 底層程序控制

根據(jù)高精度電壓基準源AD688BQ的技術手冊，負載調(diào)整率要達到50uV/mA，所以外接萬用表選用的是美國吉時利高性能的六位半Keithley 2000數(shù)字多用表，直流電壓的精度為0.1uV，滿足測試的要求。

根據(jù)設備資源設計制作了相關的外圍電路（測試適配器），外接萬用表原理圖如圖6所示，V/I源PVI3和PVI1分別給器件施加+15V和-15V電壓，V/I源PVI0給器件加負載電流，同時區(qū)分V/I源的force線和sense線，在精度要求比較高的電路中要盡量減少壓降對測試的影響，兩路輸出通過OUT1和OUT2外接選通萬用表上。測試夾具兩邊的電容可以穩(wěn)定電壓和去噪，而且在實際電路設計中，電容要越靠近測試夾具越好。

在測試過程中測試設備通過RS232與外接萬用表進行串口通信，底層測試程序控制外接萬用表的量程設置和測試過程，當測試一旦下發(fā)，各源表進行初始化，準備就緒，并按指令依次完成模式設置、輸出、測量等工作，將測試結果通過軟件進行反饋和通信，顯示在電腦屏幕上。

在測試程序中切換繼電器K22接通萬用表，直接測量輸出端電壓，對于精度要求更加高的電壓基準AD688BQ，切換繼電器K20，選通放大器電路，將被測器件的輸出放大適當?shù)谋稊?shù)后再進行測量，測試部分的C語言程序為：

cbit.SetCBITOn（K30）；

cbit.SetCBITOn（K22）； //接通萬用表

g_pMMSCPI->SetDCVoltage（DC_RANG_100V）；//對外接萬用表測試量程進行設置

pvi3.SetModeFVMI（PVI_VRNG_20V， Vin2， PVI_IRNG_100MA， 50e-3， -50e-3）；

pvi1.SetModeFVMI（PVI_VRNG_20V， Vin1， PVI_IRNG_100MA， 50e-3， -50e-3）；//電源

pvi3.Enable（）；

pvi1.Enable（）；

delay_ms（10）；

g_pMMSCPI->GetMMResult（&val1;[0]）；//測試，并將測試數(shù)據(jù)傳回，存在數(shù)組中

cbit.SetCBITOff（K30）；

cbit.SetCBITOn（K29）；//切換繼電器，對第二路輸出進行測試

delay_ms（10）；

g_pMMSCPI->GetMMResult（&val2;[0]）； //測試，并將測試數(shù)據(jù)傳回，存在數(shù)組中

4 效果及其評價

高精度電壓基準源AD688BQ的測試結果與產(chǎn)品技術手冊指標一致。限于篇幅，僅給出同一只器件測試10次的部分測試結果數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表中測試結果數(shù)據(jù)可以看出：電壓基準源的兩路輸出電壓偏差都小于2mV，保存數(shù)據(jù)精確到0.1mV，數(shù)據(jù)電壓調(diào)整率及負載調(diào)整率精確到0.1uV，滿足產(chǎn)品技術手冊的參數(shù)指標要求。數(shù)據(jù)偏離公式：

，為平均值。

第一路輸出測試值平均值為10.00097，整體測試數(shù)據(jù)偏離0.000067，第二路輸出測試值平均值為-9.99937，整體測試數(shù)據(jù)偏離0.000048，數(shù)據(jù)一致性較好，測試穩(wěn)定。

5 結語

本文設計并實現(xiàn)了一種高精度電壓基準源測試方法。該測試方法充分利用混合集成電路測試系統(tǒng)V/I源的獨特設計，合理利用四線開爾文測試方法，外接高精度萬用表，滿足高精度電壓基準源測試的要求。測試結果數(shù)據(jù)表明：該測試方法可以檢測高精度電壓基準源（例如AD688BQ）輸出電壓的精準度和穩(wěn)定度，保證此類高精度輸出器件的質(zhì)量，該方法可適用于其他精度要求較高的集成電路的篩選測試。

參考文獻

[1]范婷，鞏文超，何樂年.高精度、低溫度系數(shù)帶隙基準電壓源的設計與實現(xiàn)[J].電子與信息學報，2009，05（5）：1360-1363.

[2]沈菊，宋志棠，劉波.一種高精度CMOS帶隙基準電壓源設計[J].半導體技術，2007，09（9）：792-795.

[3]江金光，王耀南.高精度帶隙基準電壓源的實現(xiàn)[J].半導體學報，2004，25（7）：852-855.