電壓反饋型運放電參數(shù)可靠性測試方法?

李明煜 呂 樂

（中國航天科工防御技術(shù)研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

在可靠性要求較高的行業(yè)，電參數(shù)可靠性分析研究至關(guān)重要［1-2］。集成運放因其具有成本低、動態(tài)范圍寬和高可靠性的優(yōu)點，被廣泛用于各種模擬應用領(lǐng)域［3～4］，目前有較多運放自身電路設計的研究［5～8］，但對運放可靠性測試方法綜述類的文章較少［9～13］。

本文較為全面地梳理運放典型參數(shù)測試方法。從運放環(huán)測試原理出發(fā)，結(jié)合模擬電路原理［14～15］對比分析國內(nèi)外多個測試機臺電壓反饋型運放板卡的設計，給出電壓反饋型運放通用測試電路，并對單/多運放、單/雙電源下十余項靜態(tài)、動態(tài)參數(shù)測試目的、測試原理、測試方法及調(diào)試方法進行梳理總結(jié)。最后基于本文所述測試方法編寫程序，通過設計一款適用于某型號ATE的運放環(huán)電路對比配套運放環(huán)，對AD公司較為復雜的高速雙電源、雙運放AD8066ARZ進行電參數(shù)測試，驗證本文設計方法的正確性。本文的研究對從事運放可靠性測試及測試電路設計的工作者具有一定的指導意義。

2 運放測試電路模型

2.1 運放基本測試模型

圖1為運放環(huán)電路抽象通用模型。圖中，DUT代表被測運放，AMP代表輔助運放。多運放測試時通過繼電器切入待測運放逐一測試。八個繼電器來切換待測運放，其中每兩個繼電器，分別對應1-4運放接入狀態(tài)。采樣電阻RM組為RI擋、VIN輸入源設置。波形發(fā)生器AWG、時間測量單元OTMU測SR用。運放供電源VS組為DUT、AMP供電源及表，測試每個參數(shù)都使用。K測試電路切換開關(guān)，選擇開環(huán)/閉環(huán)/輔助運放閉環(huán)測試電路。負載電阻RL及負載電源VL擋為輸出負載及VO條件設置。

圖1 運放環(huán)基本模型

2.2 測試設備硬件資源

運放測試電路需要用到的供電源及電表由測試設備提供。測試 VOS、IB、IOS、AVO、CMRR、PSRR、IS、SR、VO、IO電參數(shù)需要4個電壓源供電V+、V-、Vs、VL，2個電壓表測AMP輸出端、VOUT端，3個電流表測V+、V-、VOUT。電源類ATE設備每個測試通道通常包含四象限，即一個通道可設置為電壓/流源、電壓/流表。因此需至少7個測試通道。

在使用不同測試設備時，需要根據(jù)測試設備硬件資源分配測試通道給運放環(huán)。本文以某型號ATE為例進行測試端口配置，主要用到硬件資源為模擬單元APU12（12個APU通道）。

表1 APU資源

2.3 調(diào)試注意事項

1）測試順序

一般先測試VOS，VOS穩(wěn)定后再調(diào)試其他參數(shù)。IS一般放置最后測試。

2）單雙電源時測試參數(shù)區(qū)別

（1）雙電源測 PSRR+、PSRR-，單電源只測PSRR同PSRR+；

（2）雙電源設VO=0，單電源VO為0～Vs范圍內(nèi)某值，典型值一般為1.4V。

3）單、多運放時測試參數(shù)區(qū)別

（1）電源靜態(tài)電流IS，僅設置一個測試通道；

（2）多運放采用的是并聯(lián)供電方式。通常根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊參數(shù)表中IS項卡線表達方式不同分別設置，若為per或者/Amplifier時指每個運放的靜態(tài)電流，此時運放個數(shù)為乘積系數(shù)。若為both/all時指所有運放的靜態(tài)電流值系數(shù)為1。

4）源表量程設

（1）量程調(diào)為最接近設置值的。壓擺率較低SR<1V/μs時，選擇相應低量程uS擋測試。且輸出采樣幅度 ≤輸入階躍幅度*G；

（2）為保護運放，通常設置輸出電壓嵌位值，在測試IB、IOS時，測量電壓量程設置需要考慮采樣電阻*被測電流*環(huán)路增益 ≤輸出電壓嵌位值。

3 運放電參數(shù)測試原理

3.1 輔助運放閉環(huán)測試參數(shù)

VOS、IOS、IB、AVO、CMRR、PSRR、IS參數(shù)采用輔助運放閉環(huán)電路進行測試。圖中VMEAS為電壓表測量值，VOUT為待測運放輸出值，g_loop=為環(huán)路增益。

圖2 輔助運放閉環(huán)電路

輔助運放閉環(huán)測試電路［16～17］所測參數(shù)是以VOS為基本測量單元的，VOS值很小，最大的也只有幾十毫伏。測量結(jié)果容易受噪聲影響。必須通過輔助運放使被測運放DUT構(gòu)成閉環(huán)，避免由于儀器測量精度限制影響結(jié)果精確度。通過測量輔助運放輸出端電壓，利用電阻分壓，得到相應測試參數(shù)值，輔助運放形式是積分器，一般通過調(diào)節(jié)積分器的電容值，來調(diào)節(jié)環(huán)路穩(wěn)定性。容值越大，越穩(wěn)定，但是測試時間會越長。

3.1.1 輸入失調(diào)電壓VOS

VOS是輸出直流電壓為零時輸入的直流電壓。所有輔助閉環(huán)測試參數(shù)的基礎，后面的參數(shù)的計算都是以VOS為基本測量值計算（計算過程中都涉及 VOS，但是 AVO、PSRR、CMRR 計算過程中VOS被消掉）。

測試時，K1，K2繼電器吸合。

3.1.2 輸入偏置電流IOS，輸入失調(diào)電流IB

IB+、IB-為由于工藝上兩個管子的不完全匹配，造成的兩個管子Q1和Q2的基極電流的差別，就是輸入的失調(diào)電流。測試時，需要設置采樣電阻。

其中采樣電阻阻值、環(huán)路放大倍數(shù)、待測運放電流值之間乘積要小于輸出電壓嵌位值。需要合理選擇采樣電阻阻值、環(huán)路放大倍數(shù)值。當電流為pA級時要適當增加測量延時，有些測試設備在測量微弱電流值時，電阻采樣精度達不到采用電容法采樣測量。

測試時，K1繼電器吸合，K2繼電器斷開，測量IB+，K2繼電器吸合，K1繼電器斷開，測IB-。

3.1.3 開環(huán)電壓增益AVO

AVO為在不具負反饋情況下（開環(huán)路狀況下），運算放大器的放大倍數(shù)。開環(huán)增益大于110dB的要適當增加延時。

測試時，K1，K2繼電器吸合，分別設置Vout1，Vout2。

3.1.4 共模抑制比CMRR

CMRR是兩次共模電壓下差模增益與共模增益的比值之差。它的測試有兩種方法，分為共模輸入法、變電源法。當運放輸入端固定接地時需要使用變電源法。

圖3 變電源法

共模電源法測試方法為DUT正端與地之間接Vcm，V+=V-=Vcm；例：Vs=5V，Vcm=+1～+4。則設置Vcm1=+1，Vcm2=+4，單電源VO=0V。

圖4 共模電壓法

變電源法測試方法為正負Vs+Vcm。變電源法需滿足公式：

1）Vs+-Vs-恒定等于測試條件Vs之差；

2）Vs1=Vs-Vcm1，Vs2=Vs-Vcm2；

例：Vs=5V，Vcm=+1～+4。則設置等效為Vcm=+1 時，設 Vs1+=5-1=4，Vs1-=0-1=-1，Vout1=（Vs1++Vs1-）/2=（4-1）/2=1.5。同理等效為 Vcm=+4 時。Vs2+=1，Vs2-=-4，Vo2=-1.5

其中，Vcm指共模電壓，運放的兩個輸入引腳電壓的平均值，Vs為運放供電電源值。Vout為運放輸出。

測試時，K1，K2繼電器吸合，設置兩個Vcm，得到

3.1.5 電源電壓抑制比PSRR

PSRR為把電源的輸入與輸出看作獨立的信號源時，輸入（供電電源Vs）與輸出的紋波比值。單位電源電壓變化引起的輸入失調(diào)電壓的變化率。雙電源分為PSRR+，PSRR-，單電源的為PSRR。PSRR=20log｛［ripple（in）/ripple（out）］｝。

測試時，K1，K2繼電器吸合，設置兩個Vs值，得到

3.1.6 靜態(tài)電源電流IS

IS為在指定電源電壓下器件消耗的靜態(tài)電流，通常定義在空載情況下。單電源器件只測IS+=IS。

測量時，設置Vo，測試Vs端電流即為IS。

3.2 自身閉環(huán)測試參數(shù)

SR參數(shù)采用自身閉環(huán)電路進行測試。

圖5 自身閉環(huán)測試電路

SR為變化率，是一個動態(tài)參數(shù)，與穩(wěn)態(tài)值直流誤差無關(guān)。且由誤差所引起的偏差與實際測量值相比數(shù)量級相差較大可忽略不計。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中測試條件G的值設置閉環(huán)電路環(huán)路增益進行測量。

SR為輸入端施加規(guī)定的大信號階躍脈沖電壓時，輸出電壓隨時間的最大變化率。運算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率，反映運算放大器在速度方面的指標，也稱轉(zhuǎn)換速率，是高速運放的重要指標。

測試時，給輸入一個方波跳變，Vout=G*Vin，輸入范圍根據(jù)手冊測試條件Step設置，輸出采樣范圍設置根據(jù)關(guān)系式設置，輸出采樣范圍/G≤輸入階躍幅度，計算SR。

3.3 開環(huán)測試參數(shù)

VO、IO參數(shù)采用開環(huán)測試電路進行測試（也可采用閉環(huán)測試電路測試）。

VO、IO測的是電壓、電流輸出最大擺幅。根據(jù)開環(huán)關(guān)系，VO=Aod*Vin，通過輸入大于線性區(qū)閾值（幾十uV級別）的輸入電壓［9］。利用輸出電壓非線性區(qū)特性測最大擺幅。通常設Vin=0.5V，測VO、IO。

圖6 開環(huán)測試電路

VO、IO是輸出信號不發(fā)生箝位的條件下能夠達到的最大電壓、電流擺幅的峰值，一般定義在特定的負載電阻和電源電壓下。VOH、IOH測最小值，VOL、IOL測最大值。

測試時，根據(jù)測試條件設置負載電阻及負載電壓，測量DUT輸出電壓即為VO、IO。

4 實驗驗證

為了驗證前述方法的正確性，根據(jù)前述模型設計運放環(huán)電路板及適配器，并根據(jù)前述運放測試方法編寫測試程序。選擇測試設備配套的運放環(huán)與本文設計的運放環(huán)對VOS、IB、IOS、AVO、CMRR、PSRR、IS、SR、VO進行電參數(shù)可靠性測試對比實驗。為避免測試結(jié)果的偶然性，選取1只TI公司的高速運放AD8066ARZ作為待測芯片進行20次測試，記錄每次測試結(jié)果。測試條件為常溫下，Vs=±5V。

表2 AD8066ARZ電特性

經(jīng)過分析對比圖7～圖16各參數(shù)測試數(shù)據(jù)，得到結(jié)論：本文設計的運放環(huán)與測試設備配套的運放環(huán)測試結(jié)果基本一致，該設計具有正確性。

圖7 VOS參數(shù)折線圖

圖8 IB參數(shù)折線圖

圖9 IOS參數(shù)折線圖

圖10 AVO參數(shù)折線圖

圖11 CMRR+參數(shù)折線圖

圖12 PSRR+參數(shù)折線圖

圖13 IS參數(shù)折線圖

圖14 SR+參數(shù)折線圖

圖15 VOH參數(shù)折線圖

圖16 VOL參數(shù)折線圖

5 結(jié)語

本文給出了運放測試電路模型和電參數(shù)調(diào)試方法，對運放電參數(shù)測試電路分類梳理，總結(jié)了輔助運放測試電路、自身閉環(huán)測試電路、自身開環(huán)測試電路測試原理，并給出各電參數(shù)計算公式和測試方法；設計某型號ATE的運放環(huán)硬件電路，并通過和配套運放環(huán)的對比實驗，驗證了本文運放設計方法的正確性。