Оценка характеристик аналоговых коммутаторов, мультиплексоров, операционных усилителей и других микросхем ставит перед инженерами-испытателями сложные задачи. Типичный сценарий тестирования требует подачи испытательного напряжения на вход устройства и измерения возникающих токов утечки и смещения, часто на уровне 1 пА или ниже. В отличие от медленных и дорогих промышленных автоматических тестеров, маломощная измерительная схема, показанная на Рисунках 1-3, может работать в широком диапазоне испытательных напряжений и обеспечивает быстрое установление, что позволяет максимально увеличить производительность процесса тестирования. Широкое использование компонентов для поверхностного монтажа минимизирует требуемую площадь печатной платы и позволяет размещать несколько измерительных схем рядом с испытательным стендом.
Схема состоит из буфера/усилителя испытательного напряжения, источника питания с плавающей шиной и преобразователя тока в напряжение (ПТН). При подаче испытательного напряжения на тестируемое устройство возникает ток утечки, который схема преобразует в выходное напряжение, пропорциональное этому току. В обычном ПТН измеряемый ток создает напряжение на резисторном шунте. В ПТН используется топология амперметра с обратной связью, в которой операционный усилитель IC1 (AD795) вычитает неизвестный ток из тока обратной связи и выдает выходное напряжение, пропорциональное неизвестному току (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | В этом ПТН используется топология амперметра с обратной связью, в которой неизвестный ток вычитается из тока обратной связи, в результате чего вырабатывается выходное напряжение, пропорциональное неизвестному току. |
В этой схеме входное сопротивление постоянному току, определяемое в основном резистором R2 и эффективным входным сопротивлением микросхемы IC1, немного превышает 100 Ом. На частотах электрических сетей в диапазоне от 50 до 300 Гц импеданс схемы по переменному току составляет в среднем около 10 кОм, что в 1000 раз меньше, чем входное сопротивление ПТН с резисторным шунтом, равное примерно 10 МОм. Резистор обратной связи R1 сопротивлением 100 МОм обеспечивает коэффициент преобразования тока в напряжение, превышающий коэффициент шунтового преобразователя в 10 раз. Такая конструкция имеет намного меньшее время установления и обеспечивает лучшее подавление помех с частотами линии электрической сети, чем шунтовые преобразователи. Она также уменьшает нежелательное влияние делителя напряжения при тестировании входных токов операционных усилителей.
R1 обеспечивает преобразование тока в напряжение с коэффициентом 100 мкВ/пА. Усилитель IC2 (AD795) обеспечивает дополнительное усиление по напряжению в 10 раз, увеличивая коэффициент преобразования до 1 мВ/пА и уменьшая влияние ошибок подавления синфазного сигнала (CMRR), вносимых дифференциальным усилителем IC3. Дифференциальный усилитель IC3 (OP1177) вычитает испытательное напряжение с выхода ПТН и выдает выходной сигнал, привязанный к земле.
Включенная встречно-параллельно пара диодов BAV199 (D1A и D1B) защищает усилитель IC1 от перегрузок по напряжению, шунтируя большие токи на усилитель испытательного напряжения IC4 и его защитный предохранитель F1. Когда испытательное напряжение быстро меняется от одного значения к другому, диоды значительно сокращают время установления ПТН, обеспечивая большие токи во время быстрых изменений.
На слегка скорректированный высоковольтный усилитель OPA551 (IC4) с коэффициентом усиления три, работающий от шин питания ±30 В, подается испытательное напряжение до ±22 В от обычного контрольно-измерительного оборудования с выходным напряжением ±7 В (Рисунок 2). В случае катастрофического короткого замыкания тестируемого устройства предохранитель F1 предотвращает дальнейшее повреждение, ограничивая выходной ток усилителя IC4, способного отдавать до 380 мА.
 |
|
| Рисунок 2. | На усилитель с коэффициентом усиления три подается испытательное напряжение до ±22 В от контрольно-измерительного оборудования с выходным напряжением ±7 В. |
Выход IC4 также управляет схемой регулятора, создающего плавающее напряжение питания ±5 В, привязанное к испытательному напряжению входа подключения тестируемого устройства (Рисунок 3). Эта часть схемы рассеивает мощность менее 100 мВт при питании напряжениями ±30 В. «Диодные» стабилизаторы тока Q1 и Q4 на основе полевого транзистора (SST505) служат источниками постоянного тока 1 мА, буферизуемого транзисторами Q2 и Q3. Максимальное рабочее напряжение каждого диодного стабилизатора тока составляет 45 В, а буферы обеспечивают защиту от перенапряжения, ограничивая подаваемое на диоды напряжение примерно до 3 В.
 |
|
| Рисунок 3. | Эта схема плавающего регулятора стабилизирует плавающие напряжения питания ±5 В VCC и VEE, привязанные к испытательному напряжению входа подключения тестируемого устройства. |
Ток 1 мА, проходящий через резисторы R5 и R6, создает на шинах напряжение ±5 В. Диоды D2 и D3 компенсируют падения напряжения база-эмиттер на эмиттерных повторителях Q6B и Q7B. Транзисторы Q6A и Q7A обеспечивают защиту от перегрузки по напряжению, когда неисправное тестируемое устройство закорачивает источник питания на входной узел ПТН. Транзисторы Q5 и Q8 ограничивают выходные токи плавающих источников питания, шунтируя диодные стабилизаторы. Диод D4 защищает от инверсии полярности шин плавающего питания при нештатных условиях запуска.
В процессе работы схема выдает выходной сигнал 0.999 В/нА при полной шкале измерений ±4 нА и эффективном передаточном сопротивлении 1 ГОм. Выходное смещение схемы соответствует примерно 143 фА. За пределами диапазона испытательного напряжения ±20 В напряжения на плавающих шинах питания начинают насыщаться, появляются ограничения, обусловленные входным CMRR усилителя, и выходное напряжение ПТН становится нелинейным. На Рисунке 4 показана ошибка измерения тока –31 фА/В, измеренная на ненагруженном выходе схемы при размахе испытательного напряжения ±20 В. Дифференциальный усилитель, состоящий из элементов IC3, RN2 и RN3, обеспечивает бóльшую часть усиления схемы, а низкий входной ток IC1 способствует небольшой ошибке смещения. Средняя ошибка линейности выходного сигнала в диапазоне испытательных напряжений ±20 В составляет 111 фА пик-пик.
 |
|
| Рисунок 4. | За пределами диапазона испытательного напряжения ±20 В измеренная на ненагруженном выходе схемы ошибка составляет –31 фА/В. |
Скорость нарастания схемы значительно варьируется, но в целом выход точно отрабатывает весь размах испытательного напряжения 40 В за 100 мкс или менее, поскольку тестируемым устройством управляет диод D1. По завершении периода быстрого нарастания ПТН выходит из насыщения, и его выходной сигнал становится экспоненциальным с постоянной времени 1 мс. Выходной ток устанавливается до уровня 100 фА примерно за 10.6 мс. В отсутствие нагрузки схема потребляет примерно 10.2 мА от источника питания ±30 В и 400 мкА от источника ±15 В. Схема прототипа занимает примерно 9.6 см2 на односторонней печатной плате, а размещение компонентов на обеих сторонах двусторонней платы сократит площадь до 6.4 см2. Для достижения наилучших характеристик схема должна включать охранные кольца вокруг входной клеммы и всех дорожек, ведущих к выводу 2 микросхемы IC1. Размеры схемы позволяют разместить ее на испытательном стенде, чтобы минимизировать длину проводов и сетевые наводки. Хотя схема способна измерять токи до 1 пА, она может работать и с бóльшими токами, если уменьшить сопротивление резистора R1.
Купить AD795 на РадиоЛоцман.Цены
