低功耗待測器件實現(xiàn)高精度低電流測量兩種方式

　　概述

　　由于當今的重點是綠色出行和打造移動設備和物聯(lián)網(wǎng)設備，因此實現(xiàn)集成電路和電子組件功耗最小化已成為器件制造商的夢想。功耗最低意味著實現(xiàn)所有集成電路和電子組件的電流消耗最低。為了對這些部件進行特性分析，必須測量器電流消耗。過去，功耗并不是主要問題，測量通過器件的電流非常簡單，因為電流電平相對較高，為毫安甚至安培級，利用標準多用表即可測量。當今器件工作電流低至微安級甚至更低，因此需要更復雜設備進行測量。

　　本文探討了對低功耗待測器件（DUT）進行低電流測量的兩種不同方法：一是將電源、高精度數(shù)字多用表及待測器件進行串聯(lián)，二是使用高精度測量電源。應用筆記詳細介紹了怎樣配置2280S系列高進度測量直流電源，實現(xiàn)高精度低電流測量。

　　將電源與數(shù)字多用表進行串聯(lián)

　　測量流經(jīng)器件電流的一個方法是將數(shù)字多用表與電路串聯(lián)，并利用它測量電流。使用6位半的高質(zhì)量數(shù)字多用表，可以對毫安級電流電平進行高精度測量。圖1給出這個方法的測試設置。

　　圖1. 使用電源與數(shù)字多用表串聯(lián)來測量電流

　　雖然這個方法能夠?qū)νㄟ^器件的電流進行非常準確的測量，但由于特性分析期間數(shù)字多用表造成的電壓負荷，該方法也可能帶來很多問題。即使電源輸出端電壓可能處于編程值，但待測器件兩端電壓實際上低于編程值，因為在數(shù)字多用表產(chǎn)生電壓負荷。因此，待測器件兩端電壓不是編程電壓，它等于編程電壓減去數(shù)字多用表電壓（VDUT= VSET– VDMM）。如果忽略數(shù)字多用表電壓且用戶假設器件電壓等于編程電壓，那么功率和電阻測量將具有重大誤差，因為用于計算的電壓將高于待測器件電壓值。當在最低工作電壓附近對器件進行測試時，這個電壓降還可能帶來問題。如果數(shù)字多用表的電壓負荷過大，器件電壓可能低于最低工作電壓，而且器件將無法正常工作，導致錯誤測量。

　　通過輸出較高的電源電壓，可以對這個電壓降進行補償，從而為待測器件提供期望的電壓。不過，數(shù)字多用表造成的電壓負荷隨著流經(jīng)電流的變化而變化，因此補償非常困難。 可以使用第二部數(shù)字多用表直接測量器件電壓，但這將添加新的儀器設備，不僅增加測試系統(tǒng)的成本和復雜度，而且可能給低電流測量帶來更大誤差源。數(shù)字多用表給測試電路帶來額外負載，致使電流高于實際流經(jīng)器件的電流。雖然電源與數(shù)字多用表串聯(lián)是一種非常簡單的低電流測量方法，但這絕不是理想方法。

　　使用高精度測量電源

　　如果適用高精度測量電源，可以利用6位半高質(zhì)量數(shù)字多用表對通過器件的電流進行測量，但是可以做得更簡單且更準確。由于測試器件只需要1部儀器，因此測試得以簡化。圖2給出測試設置。

　　由于只有1部儀器，很快即可開始測試，因為需要設置的設備更少。自動測量也更簡單，因為只需對1部儀器進行編程。這避免了多部儀器的同步，并允許測試工程師把精力集中于測量。

　　進行器件特性分析時，利用高精度測量電源比利用電源與數(shù)字多用表更準確。高精度測量電源能夠測量施加于器件的電流和電壓。電流是內(nèi)部測量的，因此不會像串聯(lián)數(shù)字多用表那樣給測試電路帶來電壓負荷。這樣，器件兩端電壓等于編程電壓。要想進一步提高準確度，可以利用器件端口的程控檢測引線直接測量電壓，這使得高精度測量電源直接補償為器件供電的測試引線上的電壓降。這些測試引線具有極高的輸入阻抗，因此對測試電路而言，它們實際上是零負載。利用這些特性，高精度測量電源能夠在任何電流電平對器件進行極其精確的特性分析。由于在1部儀器內(nèi)集成了所有這些能力，因此高精度測量電源可以大幅降低測試系統(tǒng)復雜性和成本。

　　圖2. 利用高精度測量電源進行電流測量

　　利用2280S系列高精度測量直流電源對高精密基準電壓源靜態(tài)電流進行測量

　　接下來將介紹怎樣配置2280S系列高精度測量直流電源，在不連接輸出情況下，對高精密基準電壓源電流消耗進行測量。在數(shù)據(jù)表中給出了正在測量的這個電壓基準的靜態(tài)電流，電流電平典型值僅為31μA，最大值為35μA。為了進行這個測量，將儀器配置為最大精度和準確度。

　　設備

　　高精度測量電源減少對器件進行電流測量所需的設備數(shù)量。在本例中，使用以下設備：

　　• 吉時利2280S系列高精度測量直流電源

　　• 測試引線

　　• 高精度基準電壓源

　　進行連接

　　圖3和圖4給出這個測試的連接。

　　圖3. 高精度測量電源與高精度基準電壓源待測器件的測試連接

　　圖4. 2280S系列高精度測量直流電源與基準電壓源待測器件的測試連接

　　測試連接相當簡單，因為只需將兩根引線（HI和LO）與待測器件連接。高精度電壓測量不需要程控電壓檢測，因為電流極低，不會在測試引線產(chǎn)生大量電壓降。建議使用屏蔽電纜，以降低噪聲。如果測試電路接地，應當實現(xiàn)單點接地，以避免接地電流環(huán)路帶來的測量誤差。

　　配置儀器

　　為了在微安量程進行高精度電流測量，必須將2280S系列高精度測量直流電源配置為最高精度。利用該儀器的彩色圖形用戶界面（圖5），可以快速進行儀器設置，而且很容易通過前面板實現(xiàn)。為了使低電流測量具有最高精度，通過前面板進行儀器配置的步驟是：

　　對測量設置進行配置

　　• 將儀器分辨率設置為6位半（圖6）。

　　• 開啟自動調(diào)零。

　　–自動調(diào)零將自動測量內(nèi)部基準，針對每個觸發(fā)測量對儀器清零，使測量更準確。

　　• 將NPLC值設置為15 （對于50Hz電源系統(tǒng)，其設置為12），最大測量孔徑時間。這將提高測量分辨率和精度。

　　對濾波器設置進行配置

　　當均值濾波器開啟后，儀器將返回某些測量結果平均值讀數(shù)。平均值測量使得讀數(shù)更穩(wěn)定，支持更高的精度。濾波器設置（圖7）的配置如下：

　　• 將濾波器狀態(tài)設置為開啟。

　　對觸發(fā)器設置進行配置

　　• 將樣本計數(shù)設置為10，以與濾波器計數(shù)匹配（圖8）。這將利用10個連續(xù)讀數(shù)填充均值濾波器，讀數(shù)之間的時間很短。

　　• 將濾波器計數(shù)改為10。

　　–濾波器計數(shù)可以一直增加到100，這樣可使讀數(shù)更穩(wěn)定。

　　對電源延遲進行配置

　　對于低電流測量，為了獲得準確的結果，在進行測量之前，必須留有一定的時間，使得測試系統(tǒng)中的電流建立其最終值。通過設置電源延遲，可以使測量延遲足夠長的時間，確保電流建立。

　　• 設置足夠長的電源延遲，確保電流建立時間（圖9）。雖然對于大多數(shù)微安電平測量而言，10ms延遲足夠，但如果待測器件輸入電容較大或者夾具包括外部濾波器電容器，那么可能需要更長的電源延遲。

　　通過這些設置，儀器測量將具有最高精度和最大的返回讀數(shù)，其讀數(shù)為幾個高分辨率測量結果的平均值。

　　運行測試

　　將測量設置配置為最高精度后，儀器目前已做好啟動測量準備。為了啟動測試，首先將輸出電壓（V-Set）設置為待測器件的正常電壓。對于正在進行測試的高精度基準電壓源，V-Set設置為3V。接著，將電流限幅（I-Limit）設置為足夠低，做到既保護待測器件同時又使流經(jīng)器件的電流足夠高以使器件工作。對于這個器件，I-Limit將設置為最低容許值100μA。最后，開啟輸出，開始進行測量。圖10給出儀器前面板的截圖。

　　利用前面介紹的測量設置，2280S系列高精度測量直流電源可以進行穩(wěn)定測量，最低約為100nA(＄0.0581)。圖11給出儀器前面板截圖，說明測量多么穩(wěn)定，從數(shù)據(jù)軌跡可以看出，讀數(shù)之間幾乎波動微乎其微。此外，在顯示屏底部給出統(tǒng)計數(shù)據(jù)，表明峰-峰值極低，讀數(shù)的標準偏差很小。

　　實現(xiàn)低電流測量自動化

　　為實現(xiàn)高精度低電流測量和自動收集數(shù)據(jù)，可對2280S系列高精度測量直流電源的配置，為此，可向儀器發(fā)送以下SCPI指令：

　　結束語

　　利用2280S系列高精度測量電源，設計和測試工程師可以迅速而容易地對器件進行高可靠、高質(zhì)量、低電流測量。其易于導航、易于讀數(shù)的圖形用戶界面，只需數(shù)秒鐘即可在測試臺完成低電流測量的儀器配置。作為線性電源，其輸出干凈而平靜，實現(xiàn)信號噪聲最低，確保最高測量精度。測試得以簡化，因為只需配置1部儀器，而且成本得以降低，因為無需額外設備。2280S系列高精度測量直流電源的測量能力確實是革命性的。