Comprender las fuentes actuales y los sinks en el equipo de pruebas moderno

El rendimiento del equipo de prueba depende de la capacidad de generar corrientes estables y conocidas para calibrar y caracterizar. Fuentes y sumideros actuales basados en amplificadores operativos proporcionan la precisión y flexibilidad requeridas en aplicaciones que van desde pruebas semiconductores a simulación transductor. Estos circuitos logran precisión aprovechando la retroalimentación para controlar la corriente a través de un resistor de detección conocido, haciendo que la fuente olfing sea independiente de impedancia de carga dentro del rango de cumplimiento.

Principios básicos del control actual de Op Amp

Una fuente actual proporciona una corriente estable a una carga independientemente de los cambios de tensión en su salida, mientras que un fregadero actual dibuja una corriente definida desde un dispositivo bajo prueba. Los amplificadores de opciones permiten estas funciones mediante la formación de un sistema de cierre cerrado que compara el voltaje desarrollado a través de un resistor de sentido a una referencia.El amplificador de op ajusta su salida para minimizar el error, forzando el voltaje de resistencia de sentido para que coincida con la referencia.

El Mecanismo de Reacción

El amplificador de operaciones opera en una configuración de retroalimentación negativa donde el resistor de sentido se conecta entre la entrada de inversión y ya sea tierra o virtual. Para una fuente actual, las unidades de amplificación de operaciones se encuentran en la carga mientras se monitoriza la caída a través del resistor de sentido. Cualquier desviación de la corriente de conjunto hace que el amplificador de salida adquiera su voltaje hasta que el equilibrio regrese.

Determinantes de precisión

Tres componentes dominan la exactitud de una fuente o fregadero de corriente op. La referencia de tensión debe mantener su valor con el tiempo y la temperatura, con opciones típicas que van desde referencias de bandagap de precisión a dispositivos de cebado enterrado que ofrecen tolerancias iniciales por debajo del 0,05%. El resistor de sentido debe tener bajo coeficiente de temperatura y alta estabilidad, a menudo requieren ganancia de metal o resistencias de carga delgada con TC por debajo de 10 ppm/°C.

Configuración de la Fuente de corriente básica

La fuente de precisión más simple utiliza un solo dispositivo de salida, un voltaje de referencia y un resistor de sentido. La referencia se conecta a la entrada no invertida, mientras que la resistencia sensorial se conecta desde la entrada invertida a la salida de salida de salida de salida.La carga aparece en serie con la resistencia del sentido en el lado de salida, con el flujo actual de salida de salida a través del sensor de sentido y en la carga igual.

Criterios de selección de componentes

  • Tensión de referencia: Elige una referencia de baja altura y precisión como la serie ADR4520 o LT6655. Para las corrientes ajustables, un DAC de precisión seguido por un búfer puede sustituir la referencia fija, permitiendo la programabilidad.
  • Resistente sensorial: Seleccione una resistencia con potencia adecuada para la máxima corriente. Utilice una configuración de Kelvin de cuatro extremos para las corrientes superiores a 100 mA para eliminar errores de resistencia de plomo. Los valores de resistorsión deben mantener el voltaje sensorial entre 100 mV y 1 V para una relación óptima de señal a ruido.
  • Op selección de amplificadores: Busque tensión de baja tensión (abajo 100 μV), corriente de sesgo baja (abajo 1 nA para la mayor precisión de trabajo), y rango de tensión de salida suficiente para conducir la carga más la caída de resistencia del sentido. Amplificadores de salida de cola a cara como el OPA192 o AD8605 proporcionan el máximo cumplimiento.

Consideraciones de los voltajes de cumplimiento

El voltaje de cumplimiento de una fuente actual es el voltaje máximo de salida que puede ofrecer al mantener la regulación. Esto equivale al voltaje de suministro de op a menos la caída de tensión en el resistor sensor y el voltaje de salida de la salida de la op. Para una fuente alimentada a partir de 12 V con un voltaje de 500 mV y una salida de 200 mV, el cumplimiento alcanza aproximadamente 11.3 V.

Diseño de una Precisión Corriente Sink

Un circuito de fregadero actual dibuja una corriente definida de la carga en tierra o una fuente negativa. La amplificación op controla un transistor o su propia salida para mantener la tensión de resistencia sensorial igual a la referencia. La configuración más común coloca el resistor sensorial entre la carga y la entrada de invertido de op amp, con la conducción de op amp un transistor de serie.

Topología de Sink de Transistor

Para las corrientes que superan la capacidad de salida de la op, un transistor discreto maneja la disipación de potencia. La amplificación op impulsa la base transistor (para bipolar) o la puerta (para MOSFET), y el colector transistor (o drenaje) se conecta a través del resistor de sentido al suelo. El bucle de retroalimentación regula la corriente emisor (o fuente) para ajustar el valor establecido.

Rechazo de tensión común-modo

En las configuraciones de fregadero, las entradas de op amp deben operar sobre el rango de tensión presente en la terminal de carga. Los diseños de la corriente de hundimiento de una fuente de tensión que varía durante las pruebas requieren amplificadores de operaciones con alta relación de rechazo de movimiento común (CMRR). Los dispositivos de entrada dual de AD8610 y OPA227 ofrecen CMRR por encima de 120 dB, manteniendo la variación actual por debajo de 1 μA para un cambio de 10 V a la carga.

Arquitecturas de circuito avanzado

Los diseños básicos de una sola opción sirven muchas aplicaciones, pero el equipo de prueba exigente requiere un rendimiento mejorado. Las topologías mejoradas se refieren a las limitaciones en el voltaje de cumplimiento, impedancia de salida y sensibilidad de temperatura.

Fuente de corriente de Howland

La fuente actual Howland utiliza una configuración amplificadora diferencial para proporcionar salida bidirectional con mayor impedancia de salida que el diseño básico. Dos rutas de retroalimentación crean un puente equilibrado que obliga a la corriente de carga a depender sólo del voltaje de entrada y un resistor de conjunto, independiente de la impedancia de carga. Esta topología es especialmente útil para mediciones de impedancia de electrodos y sesgomezamiento de sensores electroquímicos, donde la impedancia de carga varía en redes de precisión.

Howland mejorado con amortiguador

Añadiendo un amortiguador de unidad entre la salida de la salida de la salida y los resistores de retroalimentación elimina el efecto de carga de la red de retroalimentación en la etapa de salida. Esta modificación mejora la impedancia de salida en frecuencias altas y mantiene la precisión al conducir cargas capacitivas.El amortiguador también aísla los efectos térmicos en la etapa de salida desde los resistores de retroalimentación de precisión, mejorando la estabilidad a largo plazo.

Fuentes actuales desplegadas

La botsificación aumenta el voltaje de cumplimiento utilizando una segunda amplificación de la operación para aumentar el voltaje de suministro de la amplificación de la corriente principal. Esta técnica permite que la fuente actual regular sobre un amplio rango de tensión de salida sin requerir un suministro de alta tensión para el circuito de control. Fuentes botstadas aparecen en calibradores de precisión y trazadores de curvas donde se necesitan voltajes de cumplimiento de 100 V o más al mantener la resolución de corriente de microamp.

Rangos de corriente de ganancia conmutada

El equipo de prueba suele requerir múltiples rangos de corriente. Un enfoque de ganancia conmutada utiliza relés de precisión o conmutadores analógicos para seleccionar diferentes resistores de sentido y rangos de tensión de referencia. El diseño debe tener en cuenta la resistencia de contacto de conmutación y EMFs térmicos, especialmente en niveles bajos de corriente donde los errores de nivel de milliohm se vuelven significativos.

Implementación práctica en el equipo de ensayo

El equipo de prueba del mundo real exige más que el rendimiento teórico. El diseño, la gestión térmica y los circuitos de protección determinan si un diseño logra su precisión predicha en los entornos de producción.

PCB Diseño para la precisión

Las conexiones resistor de sentido deben utilizar la detección de Kelvin con trazas de fuerza y sentido separados para eliminar las gotas de tensión debido a la resistencia al cobre PCB. La entrada de entrada de op amp se conecta directamente al terminal de resistor sensor sin intervenir por vías o conectores que podrían introducir efectos de termopar. Los planos de tierra deben separarse entre el camino de referencia analógico y el camino de retorno de potencia para evitar que las altas corrientes modulen el voltaje de referencia.

Gestión térmica

La disipación de energía en el resistor sensorial y transistor transistor causa la calefacción localizada que cambia los valores de componentes y genera tensiones termoeléctricas. Usar resistores con bajos coeficientes de autocalentamiento y alejarlos de la referencia y amplificación op minimiza los gradientes térmicos. El hundimiento caliente para transistores de pases debe considerar la respuesta térmica transitoria durante las pruebas pulsadas, donde los ciclos rápidos de carga causan oscilación de temperaturas de temperaturas.

Protección y manipulación por defecto

  • Protección de movimiento: Los diodos de bloqueo de la serie evitan daños cuando el voltaje de carga excede el suministro de la amplificación. Las pinzas de Zener entre los puntos de salida y límite de tierra de los puntos de transitorios.
  • Limitación actual:] La adición de un dispositivo secundario o comparador para monitorear el voltaje a través de un resistor de serie pequeña proporciona plegado o limitante constante durante las condiciones de falla.
  • Protección reversa de corriente: Los diodos Schottky en paralelo con la ruta de carga evitan el flujo de corriente inversa cuando el voltaje de fuente de carga supera el cumplimiento de la fuente actual.
  • La estabilidad de carga del capital: El equipo de prueba se conecta a menudo con cables y accesorios con una capacitancia significativa. Un condensador de retroalimentación en paralelo con el resistor sensorial compensa el retraso adicional de fase, manteniendo la estabilidad de bucle en altas frecuencias.

Calibración y verificación de precisión

Las fuentes actuales de precisión requieren calibración contra estándares externos para lograr su precisión especificada. El procedimiento de calibración implica medir la corriente de salida con un amímetro de precisión o en una resistencia de recubrimientos calibrada, luego ajustar el voltaje de referencia o compensar errores de compensación. La calibración basada en software almacenada en memoria no volátil permite compensación por errores de ganancia y compensación de la referencia, resistor de sentido y op amp colectivamente.

Técnicas de auto-Calibración

El equipo de prueba avanzado incluye fuentes de referencia de calibración integradas que permiten a la fuente actual medir y corregir sus propios errores. Una referencia de tensión estable y una precisión ADC miden el voltaje sensorial real y computan la corriente actual. El sistema ajusta entonces un potenciómetro digital o DAC para anular el error. Este enfoque compensa los efectos de envejecimiento en el resistor de sentido y op amp, prolongando intervalos de calibración a varios años.

Para un ejemplo detallado de los procedimientos de calibración para fuentes de corriente de precisión, consulte Nota de aplicación de dispositivos de análog sobre calibración. Información adicional sobre selección de resistores de sentido está disponible de Guía de aplicación de resistencia de precisión de Vishay. Para un análisis profundo de la estabilidad actual de fuente:

Rendimiento de ruido y de Ripple

El funcionamiento de baja altura es crítico cuando las fuentes de corriente de precisión proporcionan circuitos de medición sensibles como sensores de puente o amplificadores de bajo nivel. Las fuentes de ruido incluyen la referencia de tensión, el ruido de tensión de entrada de la amplificación de la amplificación de entrada y el ruido térmico del resistor de sentido. Reducir el ancho de banda del circuito de control con un filtro de baja velocidad en los componentes de ruido de alta frecuencia sin afectar la precisión de DC.

Estrategias de filtración

Un filtro de segunda orden Sallen-Key entre la fuente de referencia y la entrada de no inversión de op amp proporciona frecuencias de esquina inferior a 1 Hz para aplicaciones de ultra-bajo-noise. Los componentes del filtro deben utilizar condensadores de baja absorción-dieléctrica y resistores de película de metal para evitar la deriva o microfonía. Para aplicaciones de prueba pulsadas en las que el tiempo de fijación es importante, un enfoque de doble-patráp

Rechazo de la fuente de alimentación

El arpple de conmutar la potencia suministra a las parejas a la fuente actual a través de los pines de suministro de op y el circuito de referencia. Los postreguladores lineales dedicados para el suministro de op y la fuente de referencia mejoran la relación de rechazo de la fuente de energía (PSRR) por 40 dB o más. Los filtros de pi que utilizan cuentas de ferrita y condensadores electrolíticos en la entrada a la placa de circuito proporcionan una atenuación adicional para frecuencias por encima de 1 MHz.

Aplicaciones en Prueba de Producción

Las fuentes y los sumideros actuales de precisión sirven diversos roles en entornos de prueba de producción. Los testadores de parámetros de semiconductores utilizan fuentes de corriente programables para forzar la corriente mientras miden tensión, extrayendo parámetros como factor de idealidad diodo y beta transistor. Los sistemas de calibración de sensores aplican corrientes precisas a detectores de temperatura de resistencia y medidores de tensión para simular las condiciones físicas conocidas, verificando la linearidad del sistema y offset.

Caracterización de componentes

La caracterización de diodos Zener y referencias de tensión requiere la captación de corrientes conocidas mientras se mide la estabilidad de tensión con el tiempo. Un fregadero de corriente de precisión configurado para extraer 10 μA del dispositivo bajo prueba revela ruido de tensión y deriva a largo plazo que permanecería oculto con una corriente menos estable.Para pruebas de potencia MOSFET, las fuentes de corriente pulsada ofrecen altas corrientes de pico sin sobrecalentar el dispositivo, permitiendo la medición de resistencia y transconductancia.

Pruebas de batería y simulación

El equipo de prueba de batería utiliza los fregaderos de corriente programables para aplicar cargas y fuentes de descarga controladas para simular perfiles de carga. La precisión de la regulación actual afecta directamente a las mediciones de capacidad calculada y resistencia interna. Fuentes de corriente de precisión con voltaje de cumplimiento que coinciden con el rango de tensión de batería permiten realizar pruebas en todo el rango de carga, desde 4.2 V por célula hasta el voltaje de corte, manteniendo la precisión del 0,05%.

Integración con Control Digital

El equipo moderno de prueba conecta circuitos de corriente de precisión a sistemas de control digital a través de DACs para establecer el voltaje de referencia y ADCs para monitorear la corriente actual. La interfaz digital permite secuencias de prueba automáticas y registro de datos manteniendo la precisión analógica de los componentes de fijación actual. Las barreras de aislamiento, ya sea óptica o magnética, protegen canales de medición sensibles de los bucles de tierra cuando múltiples fuentes actuales comparten una fijación común.

Coeficientes de calibración

Los microcontroladores embebidos almacenan coeficientes de calibración individuales para cada rango actual y condición de operación. Las correcciones polinomios compensan la no linealidad en el resistor sensorial y la variación de ganancia de op amp con tensión de salida. Una corrección típica utiliza un polinomio de tercera orden para reducir errores residuales de 0,1% a debajo del 0,01% en el rango de cumplimiento completo sin requerir componentes de borde analógico caro.

Para obtener orientación sobre la implementación de calibración digital en equipos de prueba, véase Maxim Integrated's application note on digital calibration systems.

Futuros Direcciones en Diseño Actual de Precisión

Los avances en la tecnología op siguen empujando los límites de lo que es posible con los circuitos de fuente actuales. Los amplificadores Autozero con los desplazamientos de tensión inferiores a 1 μV eliminan el término de error dominante para aplicaciones de baja corriente, permitiendo que las corrientes de origen en el rango de nanoamp con mejor precisión del 1%.

Los bucles de retroalimentación digital que operan junto con control analógico prometen un ancho de banda adaptable que se ajusta a los cambios de impedancia de carga en tiempo real. Estos sistemas mantienen la estabilidad en una gama más amplia de condiciones de prueba, preservando la precisión de DC del camino de referencia analógico.