一种高精度电压基准源的测试方法

姜吉　张文辉

摘 要：本文介绍了高精度电压基准源的基本原理，设计一种在元器件筛选中对高精度电压基准源的测试方法，对高精度电压基准源的输出电压、稳定度参数等技术指标进行精准检测，测试结果满足技术精度要求。

关键词：高精度电压基准；测试；稳定度

中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0080-03

0 引言

基准电压源或电压基准（Voltage Reference）通常指的是在电路中用作电压基准的高稳定度的基准源。随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术（SOC、VLSI）的发展，电压基准源成为了大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路组成部分。在模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、线性稳压器等很多集成电路和单元中，都需要高精度而又输出很稳定的电压基准。比如在模数转换器中，DC电压基准与模拟输入信号一起用于数字化输出信号的产生；在数模转换器中，DAC根据输入端上的数字输入信号，从DC基准电压中选择和产生模拟输出；在精密测量仪器仪表和应用数字通信系统中通常将电压基准源用系统测量和校准的基准。

二十世纪七十年代以来，基于MOS晶体管的基本理论和制造技术的深入研究、电路设计和工艺技术的进步，MOS模拟集成电路得到了高速发展。CMOS集成电路由于其工艺简单、器件面积小、集成度高和低功耗等优点，现已经成为了数字集成电路产品的主流。在这样的背景下，由于低成本、高性能，基于标准数字CMOS工艺的各种高精度模拟集成电路产品备受人们关注，并很快成长为集成电路技术中的一个重要研究领域。而各种高精度电压基准源由于数字模拟系统中的广泛应用，更加具有广阔的开发与应用前景。

目前很多设备可以进行电压基准源测试，但是由于精度不够，测试结果数据偏离较大，无法判断结果数据的可靠性。现在大多测试设备都采用激励-响应测试方法，在测试过程中通过搭建外围电路联通测试设备和被测元器件，进行测试，但该过程引入了额外的输入阻抗和输出阻抗，使元器件输入端和输出端产生一个电压差，从而影响元器件的测试结果数据，尤其是在高精度电压基准源测试过程中。本文根据设备资源的合理利用，引入精度高的外接万用表（Keithley 2000），采用开尔文测试方法，精准地测试高精度电压基准源。该测试方法保证了检测方法的科学规范，器件参数测试的准确可靠，保障了型号产品的质量。

1 研究内容

根据高精度电压基准源的特点及技术要求，利用现有技术手段、相关测试设备及积累的测试方法和经验，开展对该器件的测试研究。研制出测试速度快、精度高、性能可靠的高精度电压基准源测试方法，以满足型号用高精度电压基准源可靠性检测筛选的需求。如图1所示。

2 四线开尔文测试方法

STS 8000系列测试系统测试原理符合国标、军标和行业标准，是目前很多电子整机院所、企业、检测认证中心等单位的理想检测设备。该系统具使用简单可靠的实用特点，提供了填表式的PGS编程方式和开放式的C语言的编程环境，硬件系统兼容STS 8000系列模块，可根据需求进行选配和扩展。设备测试框架如图2所示。

系统采用独特的四线开尔文测试原理，并通过开放的底层C语言控制各个硬件模块和外接万用表，完成高精度电压基准源的测试。系统的积分式V/I源主要由NULL放大器、积分放大器、功率放大器及相关外围线路构成，三级放大器均为反相放大器，构成一个负反馈的闭环环境。其原理框图如图3所示。

从原理图中可以看出输出端的电流采样差分放大器用于采集V/I源的输出电流，用于反馈（恒流）和测量（测流），电流差分放大器的一个输入端是V/I源的输出端（FORCE端），电压缓冲器（跟随器）用于采集V/I源的输出电压（SENSE端），且二者都具有很高的输入阻抗，从而保证V/I源的小电流测量及恒流精度。输出控制线路用于接通和断开功率运放的输出，为保证用户端的电压精度，输出采用四线开尔文线路，即输出线分为FORCE线和SENSE线，两条线同时接通和断开。FORCE线和SENSE线之间接入双向二极管，使两线之间保持相同的电位，从而使得V/I源输出端断开时闭环环路不至于开环，保证环路一直保持闭合状态。

FORCE线用于电流的输入和输出，只有FORCE线中会流过负载电流Iload，SENSE线用于电压的反馈和测量，其输入端接有高阻抗輸入的缓冲器，因此SENSE线中不会有电流流过，即便有附加电阻也不会产生附加的电压降。FORCE线中的附加电阻虽然在电流下会产生附加的电压降，但是由于SENSE线独立接到负载两端，很有效地除掉了FORCE线中附加电阻和电压降的作用，从而保证负载两端的电压的驱动和测量精度。V/I源四线开尔文测试的示意图如图4、图5所示。

非浮动V/I源与浮动V/I源的差别就在于非浮动V/I源没有FORCE L和SENSE L，但是AGND和DGS（Device Ground Sense）所起到的作用是完全一样的，只是在系统中多路V/I源共用了同一组AGND和DGS，因此从四线开尔文测试的角度讲，在实际测试电路中，非浮动V/I源与浮动V/I源两者可以达到相同的测试结果。

3 底层程序控制

根据高精度电压基准源AD688BQ的技术手册，负载调整率要达到50uV/mA，所以外接万用表选用的是美国吉时利高性能的六位半Keithley 2000数字多用表，直流电压的精度为0.1uV，满足测试的要求。

根据设备资源设计制作了相关的外围电路（测试适配器），外接万用表原理图如图6所示，V/I源PVI3和PVI1分别给器件施加+15V和-15V电压，V/I源PVI0给器件加负载电流，同时区分V/I源的force线和sense线，在精度要求比较高的电路中要尽量减少压降对测试的影响，两路输出通过OUT1和OUT2外接选通万用表上。测试夹具两边的电容可以稳定电压和去噪，而且在实际电路设计中，电容要越靠近测试夹具越好。

在测试过程中测试设备通过RS232与外接万用表进行串口通信，底层测试程序控制外接万用表的量程设置和测试过程，当测试一旦下发，各源表进行初始化，准备就绪，并按指令依次完成模式设置、输出、测量等工作，将测试结果通过软件进行反馈和通信，显示在电脑屏幕上。

在测试程序中切换繼电器K22接通万用表，直接测量输出端电压，对于精度要求更加高的电压基准AD688BQ，切换继电器K20，选通放大器电路，将被测器件的输出放大适当的倍数后再进行测量，测试部分的C语言程序为：

cbit.SetCBITOn（K30）；

cbit.SetCBITOn（K22）； //接通万用表

g_pMMSCPI->SetDCVoltage（DC_RANG_100V）；//对外接万用表测试量程进行设置

pvi3.SetModeFVMI（PVI_VRNG_20V， Vin2， PVI_IRNG_100MA， 50e-3， -50e-3）；

pvi1.SetModeFVMI（PVI_VRNG_20V， Vin1， PVI_IRNG_100MA， 50e-3， -50e-3）；//电源

pvi3.Enable（）；

pvi1.Enable（）；

delay_ms（10）；

g_pMMSCPI->GetMMResult（&val1;[0]）；//测试，并将测试数据传回，存在数组中

cbit.SetCBITOff（K30）；

cbit.SetCBITOn（K29）；//切换继电器，对第二路输出进行测试

delay_ms（10）；

g_pMMSCPI->GetMMResult（&val2;[0]）； //测试，并将测试数据传回，存在数组中

4 效果及其评价

高精度电压基准源AD688BQ的测试结果与产品技术手册指标一致。限于篇幅，仅给出同一只器件测试10次的部分测试结果数据，如表1所示。

从表中测试结果数据可以看出：电压基准源的两路输出电压偏差都小于2mV，保存数据精确到0.1mV，数据电压调整率及负载调整率精确到0.1uV，满足产品技术手册的参数指标要求。数据偏离公式：

，为平均值。

第一路输出测试值平均值为10.00097，整体测试数据偏离0.000067，第二路输出测试值平均值为-9.99937，整体测试数据偏离0.000048，数据一致性较好，测试稳定。

5 结语

本文设计并实现了一种高精度电压基准源测试方法。该测试方法充分利用混合集成电路测试系统V/I源的独特设计，合理利用四线开尔文测试方法，外接高精度万用表，满足高精度电压基准源测试的要求。测试结果数据表明：该测试方法可以检测高精度电压基准源（例如AD688BQ）输出电压的精准度和稳定度，保证此类高精度输出器件的质量，该方法可适用于其他精度要求较高的集成电路的筛选测试。

参考文献

[1]范婷，巩文超，何乐年.高精度、低温度系数带隙基准电压源的设计与实现[J].电子与信息学报，2009，05（5）：1360-1363.

[2]沈菊，宋志棠，刘波.一种高精度CMOS带隙基准电压源设计[J].半导体技术，2007，09（9）：792-795.

[3]江金光，王耀南.高精度带隙基准电压源的实现[J].半导体学报，2004，25（7）：852-855.