一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)，涉及半導體器件直流電流特性測量【技術領域】。包括數(shù)字多用表、高值電阻/短路器、線性穩(wěn)壓電源和有源校準適配器，所述有源校準適配器的電阻信號輸入端與所述高值電阻/短路器連接，所述有源校準適配器的電阻電壓信號輸出端與所述數(shù)字多用表連接，所述有源校準適配器的電源信號輸入端與所述線性穩(wěn)壓電源連接。所述有源校準適配器并設有皮納安級直流電流源電流信號輸入端接口。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術的使用局限性（僅適用于具有保護端子輸出的微小電流）和測量誤差大（默認保護端電壓與高值電阻電壓相等，默認保護端輸出沒有線性度）等問題，具有很高的市場推廣價值。
【專利說明】一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體器件直流電流特性測量【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 微小電流測量過程中面臨諸多問題：易受環(huán)境條件、連接電纜、測試夾具、電磁環(huán) 境、阻抗匹配、噪聲等因素的影響。因此，如何對微小電流進行高精度的校準，保障其量值準 確可靠是當下的一個研究課題。微小電流參數(shù)的量值準確可靠是進行測試的先決條件，作 為半導體測試領域關鍵參數(shù)，皮納安級直流電流校準存在的問題如下： (1)采用間接測量方法，一般用到GQ級高值標準電阻（1GQ、10GQ和l〇〇GQ及以上)， 常規(guī)的數(shù)字多用表受限于其輸入阻抗(一般最高為1〇6Ω量級，如Fluke 8508A)，無法精確 測量標準電阻兩端的電壓，導致微小電流測量誤差較大（以高值標準電阻RS為1GQ為例， 數(shù)字多用表8508A輸入阻抗Rin為10G Ω，則由阻抗不匹配帶入的誤差為9. 09%，此指標遠 遠大于數(shù)字多用表〇. 0006%的準確度）；雖有6430這樣的超高輸入阻抗（ΙΟ15 Ω)的數(shù)字源 表，但其電壓測量準確度不滿足要求(指標僅為±0. 08%)。目前尚沒有輸入阻抗和電壓測量 準確度均滿足要求的數(shù)字電壓表。
[0003] (2)目前，普遍采用無源適配器方法來測量高值標準電阻電壓，其本質是利用了 與微小電流高端HI (也是高阻電壓端)近似等電位的保護端子Guard (低輸出阻抗點)來實 現(xiàn)測量。但這種方法存在以下問題： 1) 、適用范圍極其有限：對于沒有保護端子的皮納安級電流(如航天科技公司514所的 5144、Keithley公司的6517B)不適用，本質是沒有解決高源內阻電壓到低輸出阻抗電壓的 等效變換； 2) 、測量準確度低：由于組成儀器本身的器件不理想，導致保護端子與實際的高阻端電 壓偏差1. OmV左右并且不同儀器相差不等，無源適配器單純使用保護端子電壓替代高阻兩 端電壓，引起測量誤差。
[0004] 3)、默認保護端子電壓輸出的增益為一定值，事實上，保護端電路對應不同范圍的 輸入電壓具有一定的線性度，即增益不為一定值。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)，可 實現(xiàn)高源內阻的電壓到低輸出阻抗電壓的等效變換，拓展了微小電流測量的使用范圍，適 用于具有保護端和不具有保護端的微小電流源；測量準確，使用方便。
[0006] 為解決上述技術問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：一種皮安納安級直流電流源 高精度校準系統(tǒng)，包括數(shù)字多用表、高值電阻/短路器、線性穩(wěn)壓電源和有源校準適配器， 所述有源校準適配器的電阻信號輸入端與所述高值電阻/短路器連接，所述有源校準適配 器的電阻電壓信號輸出端與所述數(shù)字多用表連接，所述有源校準適配器的電源信號輸入端 與所述線性穩(wěn)壓電源連接。，所述有源校準適配器并設有皮納安級直流電流源電流信號輸 入端接口。
[0007] 優(yōu)選的，所述有源校準適配器的電路為阻抗變換電路：包括運算放大器U1、電阻 尺1、1?2、電容(：1、02、03、04、接線端子開1、開2、開3 ;所述運算放大器譏為1嫩116，運算放 大器U1的引腳1經電阻R2與引腳16連接；運算放大器U1的引腳2與引腳4并接后與接 線端子JP2的引腳4連接，運算放大器U1的引腳5與引腳7并接后與接線端子JP2的引腳 2連接，運算放大器U1的引腳8與接線端子JP1的引腳3連接，運算放大器U1的引腳9經 電阻1與接線端子JP2的引腳1連接，接線端子JP3引腳1和引腳2并接后與運算放大器 U1的引腳11連接，運算放大器U1的引腳13與接線端子JP1引腳1連接，接線端子JP3的 引腳3與運算放大器U1的引腳9和電阻R1的結點連接，接線端子JP1的引腳2與運算放 大器U1的引腳9和電阻R1的結點連接，電容C1、C2并接后一端與運算放大器U1的引腳13 和接線端子JP1引腳1的結點連接，另一端接地，電容C3、C4并接后一端與運算放大器U1 的引腳8和接線端子JP1引腳3的結點連接，另一端接地。
[0008] 優(yōu)選的，所述有源校準適配器的電流信號輸入端包括電流信號輸入端J1和電流 信號輸入端J2,所述有源校準適配器的電阻信號輸入端包括電阻信號輸入端J3和電阻信 號輸入端J4,所述有源校準適配器的電阻電壓信號輸出端包括電阻電壓信號輸出端J5和 電阻電壓信號輸出端J6,所述有源校準適配器的電源信號輸入端為電源信號輸入端J7， 且均設置在所述有源校準適配器的金屬外殼外表面；電流信號輸入端J1、電流信號輸入端 J2、電阻信號輸入端J3為三同軸面板安裝式插座，電阻信號輸入端J4為同軸面板安裝式插 座，電阻電壓信號輸出端J5、電阻電壓信號輸出端J6為面板安裝式香蕉頭插座，電源信號 輸入端J7為四芯航空插頭插座；電流信號輸入端J1的芯線與U1的引腳6浮地連接，電流 信號輸入端J1的內層屏蔽與JP2的引腳2連接，電流信號輸入端電流信號輸入端J1的外 層屏蔽與U1的引腳3浮地連接，并與金屬外殼直接接觸，電阻信號輸入端J3的芯線與U1 的引腳6浮地連接，電阻信號輸入端J3的內層屏蔽與電流信號輸入端J1的內層屏蔽連接， 電阻信號輸入端J3的外層屏蔽與金屬外殼連接，電阻信號輸入端J4的芯線與所述U1的引 腳3浮地連接，電阻信號輸入端J4的外層屏蔽與金屬外殼連接，電阻電壓信號輸出端J5通 過跳線與JP3的引腳1或引腳2連接，電阻電壓信號輸出端J6通過跳線與JP3的引腳3連 接，電源信號輸入端J7的引腳1、引腳2、引腳3與JP1的引腳1、引腳2、引腳3依次連接。
[0009] 采用上述技術方案所產生的有益效果在于：1、本發(fā)明選用輸入阻抗高、輸入偏置 電流小并且穩(wěn)定性好的的儀表運算放大器作為整個有源直流電流校準適配器電路的核心， 實現(xiàn)高源內阻電壓到低輸出阻抗電壓的等效變換；儀表運算放大器內嵌的保護輸出端子可 減少連接電纜等帶來的泄漏電流的影響；為了減少微小電流測量過程中PCB電路板的泄漏 電流，采用了"浮地連接"技術，即儀表運算放大器的同相和反相輸入端浮空，與微小電流的 HI、Lo連接；采用低紋波的直流線性穩(wěn)壓電源結合濾波電路供電，最大程度地消除電源帶 來的干擾。2、分析了有源直流電流校準適配器的直流誤差來源，并確定了主要誤差的大小， 建立了精確提取高值電阻兩端電壓數(shù)學模型。考慮到有源直流電流校準適配器線性度，對 10mV?IV范圍內的特定輸入電壓情況下有源校準適配器的增益進行了準確定標。3、為了 減少連接電纜等帶來的測量誤差，選用當前兼具屏蔽功能和高絕緣性能的三同軸電纜、三 同軸面板插座、同軸電纜和同軸面板插座。整個PCB電路版放置在封閉的金屬屏蔽殼內，通 過三同軸、兩同軸的插座和航空插頭插座與外界相連，整個電路的信號地、電源地與金屬殼 相連，符合法拉第電磁屏蔽特點，具有較好的屏蔽效能。建立儀表運算放大電路的直流誤差 模型，通過一定運算得到有源直流電流校準適配器輸出的真實電壓，減少儀表運算放大器 不理想帶來的測量誤差；然后對有源直流電流校準適配器的增益進行定標；最后反推得到 高值電阻電壓。解決了現(xiàn)有技術的使用局限性(僅適用于具有保護端子輸出的微小電流)和 測量誤差大(默認保護端電壓與高值電阻電壓相等，默認保護端輸出沒有線性度）等問題， 滿足了市場上商用的微小電流源的測量工作，還可以通過一定的傳遞標準實現(xiàn)微小電流表 的精確測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明電路原理示意圖； 圖2是本發(fā)明有源校準適配器的結構示意圖； 圖3是本發(fā)明有源校準適配器的電路圖； 圖4是本發(fā)明運算放大器的直流誤差模型； 其中，1金屬外殼，2電流信號輸入端J1，3電流信號輸入端J2,4電阻信號輸入端J3, 5 電阻信號輸入端J4,6電阻電壓信號輸出端J5, 7電阻電壓信號輸出端J6,8電源信號輸入 端J7。

【具體實施方式】
[0011] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0012] 如圖1所示，本發(fā)明是一種皮安納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)，包括數(shù)字多 用表、高值電阻/短路器、線性穩(wěn)壓電源和有源校準適配器，所述有源校準適配器的電阻信 號輸入端與所述高值電阻/短路器連接，所述有源校準適配器的電阻電壓信號輸出端與所 述數(shù)字多用表連接，所述有源校準適配器的電源信號輸入端與所述線性穩(wěn)壓電源連接。，所 述有源校準適配器并設有皮納安級直流電流源電流信號輸入端接口。
[0013] 如圖2所示，本發(fā)明的有源校準適配器包括電流信號輸入端J1、J2,電阻信號輸入 端J3、J4,電阻電壓信號輸出端J5、J6,電源信號輸入端J7,且均設置在所述有源校準適配 器的金屬外殼1外表面；J1、J2、J3為三同軸面板安裝式插座，J4為同軸面板安裝式插座， J5、J6為面板安裝式香蕉頭插座，J7為四芯航空插頭插座。
[0014] 如圖3所示，本發(fā)明的有源校準適配器內部設有阻抗變換電路，包括運算放大器 U1、電阻R1、R2、電容(：1、02、03、04、接線端子開1、開2、開3;所述運算放大器譏為1嫩116， 運算放大器U1的引腳1經電阻R2與引腳16連接；運算放大器U1的引腳2與引腳4并接 后與接線端子JP2的引腳4連接，運算放大器U1的引腳5與引腳7并接后與接線端子JP2 的引腳2連接，運算放大器U1的引腳8與接線端子JP1的引腳3連接，運算放大器U1的引 腳9經電阻1與接線端子JP2的引腳1連接，接線端子JP3引腳1和引腳2并接后與運算 放大器U1的引腳11連接，運算放大器U1的引腳13與接線端子JP1引腳1連接，接線端子 JP3的引腳3與運算放大器U1的引腳9和電阻R1的結點連接，接線端子JP1的引腳2與運 算放大器U1的引腳9和電阻R1的結點連接，電容C1、C2并接后一端與運算放大器U1的引 腳13和接線端子JP1引腳1的結點連接，另一端接地，電容C3、C4并接后一端與運算放大 器U1的引腳8和接線端子JP1引腳3的結點連接，另一端接地。所述J1的芯線與U1的引 腳6浮地連接，所述J1的內層屏蔽與JP2的引腳2連接，所述J1的外層屏蔽與U1的引腳 3浮地連接，并與金屬殼體直接接觸，所述J3的芯線與U1的引腳6浮地連接，所述J3的內 層屏蔽與J1的內層屏蔽相連，所述J3的外層屏蔽與金屬外殼連接(直接接觸)，所述J4的 芯線與所述U1的引腳3浮地連接，所述J4的外層屏蔽與金屬外殼連接(直接接觸)，所述J5 通過跳線與JP3的引腳1或引腳2連接，所述J6通過跳線與JP3的引腳3連接，所述J7的 引腳1、引腳2、引腳3與JP1的引腳1、引腳2、引腳3依次連接。INA116可實現(xiàn)兩路高值電 壓差模電壓的測量，由于本路中高值電壓僅為一路，所以只采用了 Jl。J2芯線原本可連接 外部電路中另一高值電阻電壓并送入U1的引腳3,再利用U1引腳4 (JP2的引腳Guardi) 實現(xiàn)降低泄漏電流的作用。但此電路高值電阻電壓HI已通過J1芯線連接U1的引腳6,高 值電阻電壓Lo端為低值電阻電壓（即微小電流的Lo端，J1的外屏蔽)，可直接將J1的外屏 蔽送入U1的引腳3,實現(xiàn)測量功能。故J2懸空，在本實例中暫不使用。J2以備將來有兩個 高值電阻電壓節(jié)點作為INA116輸入時使用。
[0015] 實施例： 一設計原理 1、阻抗變換電路的設計 阻抗變換電路采用超高輸入阻抗的儀表運算放大器設計實現(xiàn)，其輸入阻抗>1〇15 Ω，滿 足阻抗變換的要求，輸出阻抗幾 kQ以下，相比于輸入阻抗達l〇GQ的數(shù)字多用表，阻抗失 配誤差可忽略。微小電流高端（HI)、高值標準電阻高端（HI)與儀表運算放大器的同相輸入 信號引腳IN+相連，微小電流低端（Lo)、高值標準電阻低端（Lo)與儀表運算放大器的反相 輸入信號引腳IN-相連。阻抗變換電路理論增益為G=l+50kQ/RG，其中RG為儀表運算放 大器引腳1和引腳16之間的電阻。通過改變RG改變阻抗變換電路的增益。電源部分采用 并聯(lián)0. lyF和100yF濾波。
[0016] 2、保護電路設計 運用儀表運算放大器保護引腳Guard+，與相應三同軸電纜和插座的內屏蔽層相連， 最大限度減小泄漏電流。目前市場上的PCB板材由于絕緣電阻有限，泄漏電流(高阻端與 Guard端電流)I=AU/R ^ 0. 5ηιν/500ΜΩ =1ρΑ相對被測電流還是很可觀的。實際中，項目組 采用了浮地技術，即讓儀表運算放大器的同相和反相輸入信號引腳浮地，利用空氣的高絕 緣性能Ο20ΤΩ )來減少電流的泄漏。為了避免靜電耦合和振動的干擾，微小電流、高值標 準電阻和儀表運算放大器輸入引腳之間通過硬的電線連接。此為"浮地硬連接"。
[0017] 3、屏蔽設計 外界電磁場的干擾根據(jù)距離受體的長度可分為遠場干擾和近場干擾。遠場干擾一般為 干擾射頻信號通過空氣介質耦合到測試電路中，近場干擾一般為供電電源、直流電壓信號 等由于振動、絕緣性能不理想而通過一定的傳輸介質(如PCB版）耦合到電路而引起。對以 上干擾信號最好的方式是遠離干擾源，但實際情況操作起來不太容易。另一個減少有效的 方式就是切斷其干擾路徑，通過一個密封的金屬屏蔽殼來實現(xiàn)。
[0018] 遠場干擾通過金屬殼時會發(fā)生反射損耗/?e(dB)和傳輸損耗X (dB)，電場損耗強度 如公式（1)所示，磁場損耗如公式（2)所示，吸收損耗如公式（3)所示。

【權利要求】
1. 一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)，其特征在于：包括數(shù)字多用表、高值電 阻/短路器、線性穩(wěn)壓電源和有源校準適配器，所述有源校準適配器的電阻信號輸入端與 所述高值電阻/短路器連接，所述有源校準適配器的電阻電壓信號輸出端與所述數(shù)字多用 表連接，所述有源校準適配器的電源信號輸入端與所述線性穩(wěn)壓電源連接，所述有源校準 適配器并設有皮納安級直流電流源電流信號輸入端接口。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)，其特征在于：所 述有源校準適配器的電路為阻抗變換電路：包括運算放大器U1、電阻Rl、R2、電容Cl、C2、 C3、C4、接線端子JP1、JP2、JP3 ;所述運算放大器U1為INA116,運算放大器U1的引腳1經 電阻R2與引腳16連接；運算放大器U1的引腳2與引腳4并接后與接線端子JP2的引腳4 連接，運算放大器U1的引腳5與引腳7并接后與接線端子JP2的引腳2連接，運算放大器 U1的引腳8與接線端子JP1的引腳3連接，運算放大器U1的引腳9經電阻1與接線端子 JP2的引腳1連接，接線端子JP3引腳1和引腳2并接后與運算放大器U1的引腳11連接， 運算放大器U1的引腳13與接線端子JP1引腳1連接，接線端子JP3的引腳3與運算放大 器U1的引腳9和電阻R1的結點連接，接線端子JP1的引腳2與運算放大器U1的引腳9和 電阻R1的結點連接，電容C1、C2并接后一端與運算放大器U1的引腳13和接線端子JP1引 腳1的結點連接，另一端接地，電容C3、C4并接后一端與運算放大器U1的引腳8和接線端 子JP1引腳3的結點連接，另一端接地。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種皮納安級直流電流源高精度校準系統(tǒng)，其特征在于： 所述有源校準適配器的電流信號輸入端包括電流信號輸入端J1 (2)和電流信號輸入端 J2 (3)，所述有源校準適配器的電阻信號輸入端包括電阻信號輸入端J3 (4)和電阻信號輸 入端J4(5)，所述有源校準適配器的電阻電壓信號輸出端包括電阻電壓信號輸出端J5(6) 和電阻電壓信號輸出端J6 (7)，所述有源校準適配器的電源信號輸入端為電源信號輸入端 J7 (8)，且均設置在所述有源校準適配器的金屬外殼（1)外表面；電流信號輸入端J1 (2)、 電流信號輸入端J2 (3)、電阻信號輸入端J3 (4)為三同軸面板安裝式插座，電阻信號輸入 端J4 (5)為同軸面板安裝式插座，電阻電壓信號輸出端J5 (6)、電阻電壓信號輸出端J6 (7) 為面板安裝式香蕉頭插座，電源信號輸入端J7 (8)為四芯航空插頭插座；電流信號輸入端 J1 (2)的芯線與U1的引腳6浮地連接，電流信號輸入端J1 (2)的內層屏蔽與JP2的引腳2 連接，電流信號輸入端電流信號輸入端J1 (2)的外層屏蔽與U1的引腳3浮地連接，并與金 屬外殼直接接觸，電阻信號輸入端J3 (4)的芯線與U1的引腳6浮地連接，電阻信號輸入端 J3 (4)的內層屏蔽與電流信號輸入端J1 (2)的內層屏蔽連接，電阻信號輸入端J3 (4)的外層 屏蔽與金屬外殼連接，電阻信號輸入端J4 (5)的芯線與所述U1的引腳3浮地連接，電阻信 號輸入端J4(5)的外層屏蔽與金屬外殼連接，電阻電壓信號輸出端J5(6)通過跳線與JP3 的引腳1或引腳2連接，電阻電壓信號輸出端J6 (7)通過跳線與JP3的引腳3連接，電源信 號輸入端J7⑶的引腳1、引腳2、引腳3與JP1的引腳1、引腳2、引腳3依次連接。
【文檔編號】G01R19/00GK104297551SQ201410502198
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】鄭世棋, 梁法國, 王一幫, 喬玉娥, 翟玉衛(wèi), 劉巖, 吳愛華 申請人:中國電子科技集團公司第十三研究所