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申请/专利权人：北京华峰测控技术股份有限公司

摘要：本发明提供了一种ATE系统的微弱电流测量装置及测量方法，该测量装置包括至少一组I‑V转换电路和VI源；所述I‑V转换电路用于进行电流电压转换，其两个测量输入端与被测回路串联，该I‑V转换电路通过开尔文电路与所述VI源连接；所述VI源通过所述开尔文电路的ForceH线和ForceL线连接所述I‑V转换电路的正负电源端，为其提供工作电压，通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述I‑V转换电路的输出端，测量其输出电压，通过所述开尔文电路的SenseL线连接所述I‑V转换电路的接地端。本发明结构简单、体积小、功耗低，能放置到非常靠近被测器件的地方，因而不易受外界干扰，测量准确度高。

主权项：1.一种ATE系统的微弱电流测量装置，其特征在于，包括至少一组I-V转换电路和VI源；所述I-V转换电路用于进行电流电压转换，所述I-V转换电路包括运算放大器，该运算放大器的两输入端与被测回路串联，其输出端与反相输入端之间串联有反馈电阻，其同相输入端接地；其输出端通过开尔文电路的SenseH线连接所述VI源；所述VI源通过所述开尔文电路的ForceH线和ForceL线连接所述I-V转换电路的正负电源端，为其提供工作电压，通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述I-V转换电路的输出端，测量其输出电压，通过所述开尔文电路的SenseL线连接所述I-V转换电路的接地端。

全文数据：一种ATE系统的微弱电流测量装置及测量方法技术领域本发明涉及集成电路测试技术领域，特别涉及一种ATE系统的微弱电流测量装置及测量方法。背景技术在电路测试中，通过在负载端串联电流表或并联电压表可分别实现对负载端电流或电压的测试，如图1所示，通过在被测回路中串联一电流表，即可测量在VBIAS电压下流过负载RL的电流。但是这种测试方式受电流表测量精度的限制，无法实现高精度微弱电流的测量，并且线路中存在的干扰会对测试的电流产生较大影响。集成电路自动测试系统ATE在测试各种直流参数的时候，会提供各种不同规格的电压电流源表下文简称VI源，VI源通常可以输出电压或者电流，也可以同时提供对电压或者电流的测量功能。如图2所示，为了准确测量负载端的电压，VI源通常设计成开尔文Kelvin连接方式，即具有ForceHigh、SenseHigh、ForceLow、SenseLow四个连接端，其中Force端口用于提供电流，Sense端口用于测量电压。VI源的Force端和Sense端之间允许有一定的电压，因为虽然线路中有阻抗的存在如图2中Force线上的阴影部分，但是通过设定单独的Sense线检测被测器件RL上的电压，并对Force线上的压降进行补偿，使得VI源仍然能够保证输出测量到被测器件RL两端的电压是准确的，这属于VI源的一种标准用法，即ForceH和SenseH以及ForceL和SenseL在被测器件RL的引脚处短接。根据上述原理，图2中的VI源可以直接输出VBIAS电压到负载RL两端，并测量流过负载RL的电流IL。然而这种测量方式通常只能保证nA10-9A量级，因为ATE系统提供的VI源通常为通用源表，需要较大的电压、电流的输出、测量范围，未对nA10-9A级以下电流测量做专门优化；另一方面，由于受到电流动态范围大、连接线路长以及线路中阻抗的存在等因素的影响，其微弱电流测量能力受到很大的限制。想要精确测量nA量级以下的微弱漏电，通常需要增加一个小电流测量的前端电路如各种形式的I-V转换电路。为了使该前端电路能正常工作，还需要给其提供电源，特别是在要测量双向电流的情况下，一般还要提供一组正、负电源；如果测量端不是零电位接地的，还需要提供高压或者浮动的一组电源。此外，还需要一路电压表来测量该前端电路的输出电压，才能换算出所测电流。然而这种电路的设计较为复杂，成本较高，不能广泛适用于ATE系统的微弱电流测试。发明内容有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种ATE系统的微弱电流测量装置及测量方法，该测量装置结构简单，只需要一个前端电路和一路浮动VI源，即能测量非零偏置电压下的微弱漏电，其精度能达到pA10-12A量级，甚至更高。并且由于本测量装置结构简单、体积小、功耗低，能放置到非常靠近被测器件的地方，因而不易受外界干扰，测量准确度高。本发明采用的技术方案为，一种ATE系统的微弱电流测量装置，包括至少一组I-V转换电路和VI源；所述I-V转换电路用于进行电流电压转换，其两个测量输入端与被测回路串联，该I-V转换电路通过开尔文电路与所述VI源连接；所述VI源通过所述开尔文电路的ForceH线和ForceL线连接所述I-V转换电路的正负电源端，为其提供工作电压，通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述I-V转换电路的输出端，测量其输出电压，通过所述开尔文电路的SenseL线连接所述I-V转换电路的接地端。由上，本发明利用开尔文电路ForceSense线之间允许有一定电压的特性，通过在VI源前端设置一I-V转换电路，由VI源输出恒定电流驱动I-V转换电路工作，对被测回路的电流进行测量并转换放大为电压反馈给VI源，VI源根据测得的电压和I-V转换电路上的电阻比例即可测得被测回路上的负载电流。本发明的测量精度可达到pA10-12A量级甚至更高，本测量装置的结构简单、体积小、功耗低，能放置到非常靠近被测器件的地方，因而不易受外界干扰，测量准确度高。当ATE系统使用的VI源是浮动源的时候，可以利用多套I-V转换电路配合多路浮动VI源，同时对多个负载的微弱电流进行测量，而不会发生相互干扰。即使ATE系统使用非浮动VI源共地源，本发明也只需要一路非浮动VI源即可实现既给前端电路提供电源和测量其输出电压的双重功能。其中，所述I-V转换电路包括：运算放大器，该运算放大器的两输入端与被测回路串联，其输出端与反相输入端之间串联有反馈电阻，其同相输入端接地；其输出端通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述VI源。由上，利用运算放大器的两输入端串联到被测回路上，被测回路上的电流从运算放大器的同相输入端流入，并从输出端流出，然后经过反馈电阻由运算放大器的反相输入端流过被测器件，从而形成闭合的电流环路。由于运算放大器输出端的电压还反馈到VI源，此时VI源测得的电压即为电流与反馈电阻相乘后的电压，此时可计算得出所要测量的电流值。优选的，所述运算放大器的正电源端并联一反向稳压二极管接地；负电源端并联一正向稳压二极管接地。由上，正电源端并联一稳压二极管接地，该稳压二极管阴极接正电源端、阳极接地；负电源端并联一稳压二极管接地，该稳压二极管阴极接地，阳极接负电源端，利用稳压二极管用于对VI源输出的电流建立对运算放大器的供电电压，使其满足运算放大器的工作额定电压。优选的，所述运算放大器的正负电源端还分别并联一滤波电容接地。由上，可通过滤波电容对供电电路进行滤波，消除干扰。优选的，所述I-V转换电路还包括：第一电阻，串联于所述运算放大器的输出端与所述反馈电阻之间；第二电阻，串联于所述反馈电阻与第一电阻的连接节点和接地端之间。优选的，所述第一电阻和第二电阻的阻值远小于所述反馈电阻的阻值。由上，通过第一电阻和第二电阻与反馈电阻形成T型反馈电阻网络，以将反馈电阻上的电压放大，从而提高测量灵敏度。优选的，所述运算放大器的输出端串联一电压放大器后通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述VI源。由上，可通过串联一级或多级放大电路的方式对输出电压进行等比例放大，从而进一步提高测量灵敏度。基于上述ATE系统的微弱电流测量装置，本发明还提供了一种ATE系统的微弱电流测量方法，包括以下步骤：通过设置VI源输出一工作电流，该工作电流通过稳压二极管稳压之后给I-V转换电路供电；启动VI源对I-V转换电路的输出电压进行测量；利用VI源测量的电压和所述I-V转换电路的电阻计算被测目标的微弱电流值。由上，通过设定VI源的输出电流，使其经过稳压二极管后满足I-V转换电路的工作电压，I-V转换电路将测得的电流进行转换并反馈到VI源，根据VI源测得的电压和I-V转换电路的电阻即可计算得出ATE系统被测回路的负载电流。当ATE系统使用的VI源是浮动源的时候，可以利用多套I-V转换电路配合多路浮动VI源，利用本发明的方法可同时对多个负载电流进行测量，而不会发生相互干扰，提高了测量效率和测量精度。附图说明图1为利用电流表测量负载电流的电路连接图；图2为VI源利用开尔文电路测量负载电流的电路连接图；图3为本发明ATE系统的微弱电流测量装置的原理图；图4为本发明I-V转换电路的第一实施例的电路图；图5为本发明ATE系统的微弱电流测量方法的流程图；图6为本发明I-V转换电路的第二实施例的电路图；图7为本发明I-V转换电路的第三实施例的电路图；图8为本发明测量多个负载电流的原理图。具体实施方式下面参照图3～图8对本发明所述的ATE系统的微弱电流测量装置的具体实施方式进行详细说明。如图3所示的第一实施例中，本发明所提供的ATE系统的微弱电流测量装置包括VI源和I-V转换电路；所述I-V转换电路用于进行电流电压转换，其两个测量输入端I+、I-与被测回路串联，该I-V转换电路通过开尔文电路与所述VI源连接，该开尔文电路包括连接VI源正极的ForceH线、SenseH线和连接VI源负极的ForceL线、SenseL线，其具体连接方式为：所述VI源的正极和负极分别通过所述开尔文电路的ForceH线和ForceL线连接所述I-V转换电路的正负电源端V+、V-，用于输出电流至I-V转换电路，VI源的正极还通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述I-V转换电路的输出端V0，用于测量其输出电压V0，VI源的负极还通过所述开尔文电路的SenseL线连接所述I-V转换电路的接地端GND；本实施例中提供了一种VI源的非标准用法，即ForceHSenseH及ForceLSenseL不在被测负载RL引脚处短接，而是利用ForceSense线之间允许有一定电压的特性，通过输出一定的电流，利用输出电流在稳压管D1和D2上建立的电压为I-V转换电路——运算放大器A1提供一组相对于GNDD1和D2的公共端的正负电源电压，VI源输出的电流约等于运算放大器A1的工作电流和流过D1D2的电流之和，一般不需要很大例如8mA，如图3和图4所示，负载电流漏电IL从I+端流入，即流入图4的GND，并从放大器A1的输出端流出，进而流过反馈电阻RF，最终从I-端流出，进而流过负载RL形成闭合的电流环路，则VI源所测得的电压Vo＝IL*RF，故IL＝VoRF；本实施例中的VBIAS是一路电压源，也可以由另一路VI源充当，由于下文将提到的运算放大器的“虚短”特性，本发明的装置能保证RL两端的电压即是所设的VBIAS。如图4所示，本实施例中，I-V转换电路包括一运算放大器A1，该运算放大器A1的同相输出端连接被测回路的I+端，其反相输入端连接被测回路的I-端，其输出端连接该I-V转换电路的输出端V0，该运算放大器的输出端和反相输入端之间还串联有反馈电阻RF，其同相输入端接地；为保证该运算放大器A1获得由VI源提供稳定工作电压，该运算放大器的正电源端作为该I-V转换电路的正电源端V+并联一并联的反向稳压二极管D1和电容C1后接地，稳压二极管D1的阴极接所述正电源端V+，阳极接地，负电源端作为该I-V转换电路的负电源端V-并联一并联的正向稳压二极管D2和电容C2后接地，稳压二极管D2的阳极接所述负电源端V-，阴极接地，其中VI源通过利用输出一恒定电流在稳压二极管D1、D2上建立稳定的工作电压提供给运算放大器A1，以供其正常工作，电容C1、C2可对电路进行滤波，消除干扰。利用上述电路，即可对被测回路上负载RL的漏电电流进行测量，如图5所示，具体包括以下步骤：将VI源设定为ForceI恒流输出模式，使VI源输出一恒定电流，该恒定电流通过稳压二极管稳压之后给I-V转换电路供电；启动VI源对I-V转换电路的输出电压V0进行测量；利用VI源测量的电压和所述I-V转换电路的电阻RF计算被测回路上负载RL的微弱漏电电流IL，即：值得说明的是，在实际应用中，为保证测量精度的准确，可以在不接入负载RL的情况下，先测量一次环境的漏电，再接入RL测量，测量值减去环境的漏电后即是流过RL的漏电值IL。还可以使用已知的电压VBIAS和负载RL对测量系统进行校准，校准方法对于本领域的技术人员是显而易见的，在此不赘述。如图6所示，本发明提供的第二实施例中，为提高I-V转换电路的灵敏度，通过在图4所示I-V转换电路的基础上增加电阻R1、R2，使其与反馈电阻RF形成T型反馈电阻网络，具体的连接方式为：所述运算放大器A1的输出端与反馈电阻RF之间串联电阻R1，反馈电阻RF和电阻R1的连接节点串联电阻R2后接地；本实施例中，所述提高I-V转换电路的灵敏度即为提高运算放大器A1的输出电压V0和所测电流IL的比值，由于电流由I+端口流向I-端口时，必然会经过反馈电阻RF，并在反馈电阻RF两端产生电压，此时根据电路特性，通过运算放大器A1将反馈电阻RF两端产生的电压按照电阻R1、R2的比例进行放大，从而提高输出电压V0和电流IL的比值，即提高I-V转换电路的灵敏度；本实施例中，通过使电阻R1、R2的阻值远小于反馈电阻RF的阻值，以保证流过电阻R1和R2的电流远大于流过反馈电阻RF的电流即IL，由于IL很小例如1nA，当R1、R2取合适的阻值，使流过R1、R2的电流达到mA量级例如当Vo为5V时约为0.5mA，则1nA的电流虽然也流过R1或R2，但和0.5mA的电流相比可以忽略；此时即可利用输出电压V0和反馈电阻RF、电阻R1、R2计算负载RL的电流IL，即：如图7所示，本发明提供的第三实施例中，可通过在图6所示I-V转换电路的基础上，在运算放大器A1的输出端串联一电压放大器A2，以将输出电压V0进行等比例放大后反馈至VI源，从而进一步提高I-V转换电路的灵敏度；此原理与上述提高输出电压V0和电流IL的比值的原理相同，在此不做赘述。如图8所示，当ATE系统选用的VI源是浮动源时，可利用多套I-V转换电路配合多个浮动VI源同时对多个负载的漏电微弱电流进行测量，而不会相互产生干扰；本实施例中的测量原理与上述实施例中的测量原理相同，且分别独立进行，在此不做赘述。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种ATE系统的微弱电流测量装置，其特征在于，包括至少一组I-V转换电路和VI源；所述I-V转换电路用于进行电流电压转换，其两个测量输入端与被测回路串联，该I-V转换电路通过开尔文电路与所述VI源连接；所述VI源通过所述开尔文电路的ForceH线和ForceL线连接所述I-V转换电路的正负电源端，为其提供工作电压，通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述I-V转换电路的输出端，测量其输出电压，通过所述开尔文电路的SenseL线连接所述I-V转换电路的接地端。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述I-V转换电路包括：运算放大器，该运算放大器的两输入端与被测回路串联，其输出端与反相输入端之间串联有反馈电阻，其同相输入端接地；其输出端通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述VI源。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述运算放大器的正电源端并联一反向稳压二极管接地；负电源端并联一正向稳压二极管接地。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述运算放大器的正负电源端还分别并联一滤波电容接地。5.根据权利要求2-4任一项所述的装置，其特征在于，所述I-V转换电路还包括：第一电阻，串联于所述运算放大器的输出端与所述反馈电阻之间；第二电阻，串联于所述反馈电阻与第一电阻的连接节点和接地端之间。6.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述运算放大器的输出端串联一电压放大器后通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述VI源。7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述运算放大器的输出端串联一电压放大器后通过所述开尔文电路的SenseH线连接所述VI源。8.一种使用权利要求1至7任一所述ATE系统的微弱电流测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：通过设置VI源输出一电流，该电流通过稳压二极管稳压之后给I-V转换电路供电；启动VI源对I-V转换电路的输出电压进行测量；利用VI源测量的电压和所述I-V转换电路的电阻计算被测目标的微弱电流值。

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