高精度基準(zhǔn)電壓測試技術(shù)研究

程法勇，劉繼光

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

1 引言

近年來，隨著集成電路行業(yè)的發(fā)展及各種電子設(shè)備的應(yīng)用需求，高精度的基準(zhǔn)電壓芯片越來越多，對測試精度的要求也越來越高，導(dǎo)致大部分型號的ATE（Automatic Test Equipment）不能滿足精度要求。

本文針對ADR44X型基準(zhǔn)電壓芯片，設(shè)計(jì)出信號放大環(huán)路方案，基于CTA8280型ATE搭建一套測試系統(tǒng)。ADR44X輸出電壓為2.5 V，精度要求為1 mV，CTA8280的精度為0.05%，2.5 V電壓需要用5 V的檔位，所以此時(shí)的精度為2.5 mV，顯然不能準(zhǔn)確測量到輸出電壓，需要將輸出電壓放大之后再測量。考慮到ATE本身的量程限制以及量程變大精度誤差也同時(shí)會變大的情況，因此需要在不增大量程的情況下測試出放大結(jié)果。我們采用結(jié)合外部基準(zhǔn)電壓源的差分放大方案進(jìn)行測試，通過研究，本測試技術(shù)滿足對基準(zhǔn)電壓的精度測量要求。

2 ADR44X的工作原理和性能指標(biāo)

ADR44X是一款高精度基準(zhǔn)電壓芯片，工作原理見圖1，輸入電壓3～18 V，輸出固定的2.5 V直流電壓，可以輸出-5 mA～10 mA的負(fù)載電流。表1是ADR44X的輸出電壓相關(guān)參數(shù)，由表1可知，輸出電壓精度為1 mV。

圖1 ADR44X工作原理圖

VO是基準(zhǔn)輸出電壓，在輸入端施加3 V到18 V電壓時(shí)，測量輸出腳的直流電壓信號；VOERR是輸出電壓精度誤差，ADR44X的理想輸出電壓為2.5 V，VOERR是輸出電壓的測量結(jié)果與2.5 V的差值及差值與2.5 V的百分比；ΔVO/ΔVIN是線性調(diào)整率，是反映輸出電壓在施加不同輸入電壓時(shí)輸出結(jié)果的變化的參數(shù)，ΔVO是輸入電壓為3 V和18 V時(shí)的輸出電壓的差值，ΔVIN是輸入電壓的差值，這兩個(gè)值的比值的百萬分之一即為要求的測試結(jié)果；ΔVO/ΔILOAD是反映輸出電壓在電路輸出不同的電流時(shí)輸出結(jié)果變化的參數(shù)，ΔVO為輸出電流為0 A和3 A時(shí)輸出電壓的差值，ΔVLOAD為輸出電流的差值，這兩個(gè)值的比值的百萬分之一即為要求的測試結(jié)果。

表1 ADR44X輸出電壓性能指標(biāo)

3 信號放大環(huán)路方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)

ADR44X的輸出電壓為2.5 V，精度要求為1 mV，長川科技的CTA8280在測試2.5 V電壓時(shí)的精度也是2.5 mV，所以無法直接測試出準(zhǔn)確的電壓。本方案利用差分放大來提高測試精度，將信號與外部基準(zhǔn)源的差值放大后測試，再計(jì)算出芯片的輸出電壓。因?yàn)椴罘痔幚硎菍⒈粶y信號與精準(zhǔn)穩(wěn)定的外部基準(zhǔn)源相減，得到一個(gè)幾毫伏級別的差分信號，經(jīng)過放大100倍變成幾百毫伏級別的電壓，此時(shí)ATE選用的量程是最小量程，精度為1 mV，理論上輸入差分信號的精度可以達(dá)到10 μV。所以差分信號可以提高測試的精度。

市面上現(xiàn)有的電壓基準(zhǔn)芯片的典型規(guī)格有0.8 V、1.0 V、1.5 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V 等，由于被測電壓的理想輸出是2.5 V，本方案采用的信號放大倍數(shù)是100，考慮到ATE的量程是50 V，其精度是0.1%，所以選擇的基準(zhǔn)電壓芯片是2.5 V的REF30XX。

AD82XX是正負(fù)電源工作的儀表放大器，最大工作電源可以到±18 V，可以配置為10倍或100倍固定增益。如圖2所示，VS+和VS-接±5 V電源，REF腳接地，AD82XX的G1、G2腳短接，增益固定為100倍[1]。1腳IN-端接ADR44X的輸出電壓，4腳IN+端接外部基準(zhǔn)電壓Vref，此外部基準(zhǔn)電壓芯片為REF30XX，其輸入電壓為5 V，輸出電壓為2.5 V，通過八位半萬用表測得其準(zhǔn)確的輸出電壓作為外部基準(zhǔn)。REF30XX本身的精度也是1 mV，但是其精度高低不會影響到本方案的準(zhǔn)確性。因?yàn)橥活wREF30XX的輸出電壓并不會一直波動，根據(jù)產(chǎn)品手冊可知即使電源電壓或環(huán)境溫度有變化，電路輸出的漂移也只有幾微伏，所以對最終測試結(jié)果的影響可以忽略。7腳VOUT端為AD82XX的輸出端。圖2中VIN計(jì)算公式為：

圖2 差分放大原理圖

AD82XX的輸入差分電壓最大為5 mV，本方案采用100倍固定增益，故輸出最大為500 mV，CTA8280測試系統(tǒng)選取的量程檔位為1 V，電壓測量精度0.5 mV，所以VOUT的測試結(jié)果可以精確到0.5 mV，因?yàn)樵鲆媸?00倍，所以換算到輸入端可以達(dá)到0.005 mV的精度，可以滿足測試要求。

3.2 信號校準(zhǔn)

由于放大器自身具有失調(diào)電流和失調(diào)電壓等信號，所以需要校準(zhǔn)才能降低放大器本身的誤差對測量結(jié)果的影響，保證高精度電壓測試的準(zhǔn)確性[2]。信號校準(zhǔn)電路如圖3所示。

圖3 帶校準(zhǔn)的放大電路

在ADR44X上電之前將繼電器k1閉合，此時(shí)放大器輸入信號的共模電壓為2.5 V，差模電壓為0 V，輸出電壓VOUT即為輸出失調(diào)電壓VOS。再斷開繼電器k1，給ADR44X上電，放大器的輸入信號就變成了待測信號和REF30XX輸出電壓的差值，計(jì)算結(jié)果時(shí)將失調(diào)電壓VOS考慮進(jìn)去，所以得出ADR44X的輸出電壓VO計(jì)算公式為：

4 ADR44X基準(zhǔn)電壓測試實(shí)現(xiàn)

4.1 ADR44X基準(zhǔn)電壓參數(shù)測試實(shí)現(xiàn)及結(jié)果

由于儀表放大器和待測電路以及測試系統(tǒng)本身都有一定的誤差，放大器有失調(diào)電流、失調(diào)電壓、溫度漂移等，測試系統(tǒng)有測試精度誤差等，所以測量結(jié)果必然有一定的波動性，采用多次測量取平均值的方法可以在一定程度上減少測量結(jié)果的偶然誤差[3]。本方案在測試時(shí)采用了該方法。表2是4顆電路的電壓參數(shù)的測試結(jié)果。

表2 電壓參數(shù)的測試結(jié)果

4.2 測試結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性

圖4和圖5分別是用本方案和八位半萬用表測量同一顆芯片103次的結(jié)果，對比可知本方案的測試結(jié)果最大波動為80 μV，與八位半萬用表的結(jié)果相比最大誤差70 μV。由于受到測試系統(tǒng)的誤差和待測電路本身的波動影響，測試結(jié)果會有一定的波動性，從實(shí)際結(jié)果看波動較小，完全可以接受，所以針對ADR44X的產(chǎn)品要求，其測試結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。

圖4 放大模塊測試的V CC=15 V時(shí)電路V OUT值

4.3 實(shí)際應(yīng)用與數(shù)據(jù)比對

圖6是ATE直接測試未經(jīng)差分處理過的輸出信號，由圖6可得出測試結(jié)果的最大波動達(dá)到了5 mV，明顯超出了要求的精度。與圖4對比可知，本方案的實(shí)際應(yīng)用顯著提高了測試精度，滿足產(chǎn)品的精度要求。

圖5 八位半萬用表測試的V CC=15 V時(shí)電路V OUT值

圖6 ATE直接測試未經(jīng)差分處理過的V CC=15V時(shí)電路V OUT值

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了利用確定的外部基準(zhǔn)源及差分信號放大模塊實(shí)現(xiàn)高精度基準(zhǔn)電壓參數(shù)的測試方案。該方案通過將待測信號與確定的精確外部基準(zhǔn)電壓做差分后固定放大100倍，然后利用ATE測試出放大后的電壓，再計(jì)算出待測電壓。將測試結(jié)果與高精度的八位半萬用表測量結(jié)果做對比，得出誤差在0.1 mV以內(nèi)，且多次測試的結(jié)果偏差也在0.1 mV以內(nèi)，所以該方案完全能夠滿足產(chǎn)品手冊上要求的測試精度。利用此方案代替程控八位半萬用表進(jìn)行量產(chǎn)測試可以提高測試效率，降低測試成本。