工程師經(jīng)驗(yàn)談：如何測(cè)量高精度直流電壓?

一位同事曾經(jīng)問道，“測(cè)試中我該如何測(cè)量微伏電壓?”高精度直流電壓測(cè)量可能十分復(fù)雜。測(cè)量過程中，時(shí)間就是金錢。因此，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測(cè)量一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)采用了高精度放大器電路和速度更快的測(cè)量裝置。要在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量，上述二者仍然是必要條件，但尚不足夠。穩(wěn)定延遲時(shí)間和信號(hào)噪聲之間的逆反關(guān)系取決于測(cè)量裝置驅(qū)動(dòng)電路的等效噪聲帶寬。被測(cè)器件(DUT)和測(cè)量儀器定義了系統(tǒng)特性，把穩(wěn)定延遲時(shí)間和寬帶噪聲緊密聯(lián)系在了一起。

如果電路帶寬為零，噪聲也將為零，我們可能利用一個(gè)樣本來進(jìn)行測(cè)量，但電路將永不會(huì)穩(wěn)定，直流誤差將達(dá)100%。因而，過低的帶寬將造成測(cè)量時(shí)間過長。另一方面，如果電路的帶寬無窮大，穩(wěn)定延遲時(shí)間將為零，不過寬帶噪聲也將是無窮大，這樣我們就缺乏足夠的測(cè)量值來進(jìn)行平均。于是，放大器速度越快，高精度下電壓測(cè)量所需的時(shí)間實(shí)際上可能反而越長。

讓我們來探討一下這種關(guān)系。在測(cè)試序列中，DUT的輸出必須在一個(gè)電壓階躍之后穩(wěn)定在預(yù)定義的誤差范圍內(nèi)。假設(shè)是單極階躍響應(yīng)，穩(wěn)定時(shí)間將直接取決于帶寬的大小。

每一次電壓測(cè)量都包含有DUT、放大器和電阻產(chǎn)生的寬帶噪聲。放大器產(chǎn)生電壓電流噪聲;電阻產(chǎn)生Johnson噪聲。由于濾波器的滾降特性不是無限陡峭的，在–3dB截止值之后的區(qū)域，噪聲變得不太重要。有效噪聲帶寬把這一區(qū)域的噪聲也考慮在內(nèi)了。

若定寬帶噪聲和有效噪聲帶寬一定，則所需的樣本數(shù)量由測(cè)量容許誤差決定?；窘y(tǒng)計(jì)給出了噪聲數(shù)量一定時(shí)，要獲得98%的置信水平所需要的平均樣本數(shù)量。平均值的這種偏差反映了單直流電壓測(cè)量的可重復(fù)性。實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量的問題很多，本文無法面面俱到。下面我們將討論解決總體問題的重要性。

穩(wěn)定延遲時(shí)間。如果電路中的某個(gè)元件存在穩(wěn)定時(shí)間問題，就會(huì)增加了總體的測(cè)量時(shí)間。壓擺率有限是常見的原因。一般總是采用小信號(hào)穩(wěn)定時(shí)間來計(jì)算。電介質(zhì)吸收是一個(gè)有害問題，故需謹(jǐn)慎選擇濾波器電容。

穩(wěn)定目標(biāo)。這些目標(biāo)值的設(shè)定很容易過于偏小，如0.0001%，結(jié)果引起測(cè)量時(shí)間的動(dòng)態(tài)增加。由于目標(biāo)受步進(jìn)大小影響，在步進(jìn)大小為測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的一小部分時(shí)，應(yīng)采用較大的目標(biāo)?？赡苄枰獙?duì)不同的測(cè)量序列分別設(shè)置帶寬。

誤差電壓。對(duì)所有測(cè)量值來說，容許誤差電壓往往設(shè)置得太小。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，若使用若1.6的Student T表值，98%的時(shí)間內(nèi)測(cè)量偏差將在容許誤差范圍內(nèi)。

電壓參考。這可能引入噪聲。在D/A轉(zhuǎn)換器的情況中，這些噪聲可能與代碼有關(guān)。

寬帶噪聲。使用高質(zhì)頻譜分析儀直接測(cè)量電路的寬帶噪聲。典型電路噪聲源數(shù)量相同的情況下，用紙張進(jìn)行精確計(jì)算是相當(dāng)冗長乏味的，且容易出錯(cuò)。

測(cè)量精度和分辨率。測(cè)試工程實(shí)踐一般要求測(cè)量裝置的分辨率數(shù)量級(jí)大于容許誤差，但事實(shí)上總是假定測(cè)量裝置的精度和分辨率遠(yuǎn)小于實(shí)際測(cè)量中的容許誤差。

放大器。在信號(hào)鏈中使用低噪運(yùn)算放大器。這是一個(gè)好辦法，可使電阻值保持很低，但又沒有低到因放大器產(chǎn)生電流驅(qū)動(dòng)和熱問題的程度。

測(cè)試成本的要求需要對(duì)傳統(tǒng)的緩慢高精度測(cè)量進(jìn)行優(yōu)化。這種技術(shù)讓我們得以把測(cè)量時(shí)間減至最短，節(jié)省了金錢，同時(shí)也是測(cè)試設(shè)計(jì)中的一次嘗試。

半導(dǎo)體行業(yè)正處于20位直流電路生產(chǎn)的轉(zhuǎn)折之際。接下來的問題是需要具有良好專業(yè)能力的測(cè)試工程師。