Comprendre les sources et les fosses actuelles de précision dans les équipements d'essai modernes

Les performances de l'équipement d'essai dépendent de la capacité de générer des courants connus et stables pour l'étalonnage et la caractérisation. Les sources et les éviers de courant basés sur l'amplificateur opérationnel fournissent la précision et la flexibilité nécessaires dans les applications allant de l'essai de semi-conducteur à la simulation de transducteur. Ces circuits obtiennent la précision en tirant parti de la rétroaction pour contrôler le courant à travers une résistance de détection connue, rendant le comportement de la source ou de l'évier indépendant de l'impédance de charge dans la gamme de conformité.

Principes fondamentaux du contrôle du courant d'opamp

Une source de courant fournit un courant stable à une charge, indépendamment des changements de tension à sa sortie, tandis qu'un évier de courant tire un courant défini d'un appareil en essai. Les amplis d'op permettent ces fonctions en formant un système à boucle fermée qui compare la tension développée à travers une résistance sensée à une référence. L'amplificateur d'op ajuste sa sortie pour minimiser l'erreur, forçant la tension de résistance sens à correspondre à la référence. Puisque le courant à travers la résistance sens égale V[refdivisée par Rsens, le courant de charge devient précisément défini par deux composants stables.

Mécanisme de rétroaction

L'amplificateur op fonctionne dans une configuration de rétroaction négative où la résistance sens se connecte entre l'entrée de l'inverseur et soit sol soit sol virtuel. Pour une source courante, l'amplificateur op conduit le courant dans la charge tout en surveillant la chute à travers la résistance sens. Toute déviation du courant défini provoque l'amplificateur op à ajuster sa tension de sortie jusqu'à ce que l'équilibre revienne. Cette réponse se produit dans la bande passante de l'amplificateur op, permettant un règlement rapide pour les séquences de test automatisées. Le gain de boucle détermine à quelle distance le courant réel approche la valeur idéale, avec gain plus élevé réduisant l'erreur.

Déterminants de l'exactitude

Trois composants dominent la précision d'une source ou d'un puits de courant d'ampli op. La référence de tension doit maintenir sa valeur au fil du temps et de la température, avec des choix typiques allant des références de bande de précision aux dispositifs de zéner enfouis offrant des tolérances initiales inférieures à 0,05 %. La résistance du sens doit avoir un faible coefficient de température et une stabilité élevée, nécessitant souvent des feuilles métalliques ou des résistances à film mince dont TC est inférieur à 10 ppm/°C. La tension offset, le courant de biais et le gain de boucle ouverte de l'amp.

Configuration de la source courante de base

La source de courant de précision la plus simple utilise un seul ampli op, une tension de référence et une résistance sens. La référence se connecte à l'entrée non-inversion, tandis que la résistance sens se connecte de l'entrée inverse à la sortie op amp. La charge apparaît en série avec la résistance sens sur le côté sortie, avec le courant qui coule de la sortie op amp à travers la résistance sens et dans la charge. Cette disposition force la tension à travers la résistance sens à égaler la référence, rendant le courant de sortie égal à Vrefdivisée par Rsens.

Critères de sélection des composantes

  • Tension de référence:[ Choisissez une référence de précision à faible bruit comme la série ADR4520 ou LT6655. Pour les courants réglables, un DAC de précision suivi d'un tampon peut remplacer la référence fixe, permettant la programmabilité.
  • Sistance sensée:[ Sélectionnez une résistance avec une puissance nominale adéquate pour le courant maximal. Utilisez une configuration Kelvin à quatre bornes pour les courants de plus de 100 mA pour éliminer les erreurs de résistance au plomb. Les valeurs de résistance doivent maintenir la tension sensuelle entre 100 mV et 1 V pour un rapport signal-bruit optimal.
  • Sélection de l'ampli d'op : Recherchez une tension basse offset (inférieure à 100 μV), un faible courant de biais (inférieur à 1 nA pour la plupart des travaux de précision) et une plage de tension de sortie suffisante pour conduire la charge plus la chute de résistance du sens.

Considérations relatives à la tension de conformité

La tension de conformité d'une source de courant est la tension de sortie maximale qu'elle peut fournir tout en maintenant la régulation. Ceci équivaut à la tension d'alimentation en ampli op moins la chute de tension à travers la résistance du sens et la tension de saturation de sortie de l'ampli op. Pour une source alimentée à partir de 12 V avec une tension de détection de 500 mV et une chute de sortie de 200 mV, la conformité atteint environ 11,3 V. Si la charge nécessite une tension plus élevée, soit une alimentation plus élevée, soit une configuration de bootstrap.

Concevoir un courant de précision

Un circuit d'évier de courant tire un courant défini de la charge vers le sol ou vers une alimentation négative. L'ampli op commande un transistor ou sa propre sortie pour maintenir la tension de résistance du sens égale à la référence. La configuration la plus courante place la résistance du sens entre la charge et l'entrée d'inversion de l'ampli op, avec l'ampli op conduisant un transistor de passage en série. Cette topologie permet des niveaux de courant plus élevés et offre une meilleure gestion thermique.

Topologie de l'évier transistor

Pour les courants dépassant la capacité de sortie de l'ampli op, un transistor discret gère la dissipation de puissance. L'ampli op alimente la base de transistor (pour bipolaire) ou la porte (pour MOSFET), et le capteur (ou drain) de transistor se connecte à travers la résistance du sens au sol. La boucle de rétroaction régule le courant de l'émetteur (ou de la source) pour correspondre à la valeur définie. Cette disposition déplace la chaleur de l'ampli op et permet aux courants de dizaines de milliamps à plusieurs amplis tout en maintenant la précision de niveau microamp.

Rejet de la tension de mode courant

Dans les configurations d'évier, les entrées d'ampli op doivent fonctionner sur la plage de tension présente au terminal de charge. Les conceptions de courant de descente à partir d'une source de tension qui varie au cours des essais nécessitent des amplis op avec un taux de rejet à mode commun élevé (CMRR). L'AD8610 et OPA227 offrent des CMRR au-dessus de 120 dB, ce qui maintient la variation de courant en dessous de 1 μA pour un changement de 10 V à la charge.

Architectures de circuits avancées

Les modèles mono-op-amp de base servent à de nombreuses applications, mais les équipements d'essai exigeants exigent des performances améliorées.

Source actuelle de Howland

La source de courant Howland utilise une configuration d'amplificateur différentielle pour fournir une sortie bidirectionnelle de courant avec une impédance de sortie plus élevée que la conception de base. Deux chemins de rétroaction créent un pont équilibré qui force le courant de charge à dépendre uniquement de la tension d'entrée et d'une résistance de série, indépendamment de l'impédance de charge. Cette topologie est particulièrement utile pour les mesures d'impédance des électrodes et le biaisage des capteurs électrochimiques, où l'impédance de charge varie sur une large gamme. La précision dépend de l'appariement de résistance, nécessitant des réseaux de tolérance de 0,01 % pour CMRR au-dessus de 100 dB.

Amélioration de la façon dont les tampons sont utilisés

L'ajout d'un tampon de gain d'unité entre la sortie de l'amplificateur et les résistances de rétroaction élimine l'effet de charge du réseau de rétroaction sur le stade de sortie. Cette modification améliore l'impédance de sortie à haute fréquence et maintient la précision lors de la conduite des charges capacitives.

Sources actuelles de démarrage

La mise en marche augmente la tension de conformité en utilisant un deuxième ampli op pour augmenter la tension d'alimentation de l'ampli op de réglage du courant primaire. Cette technique permet à la source de courant de réguler sur une large plage de tension de sortie sans exiger une alimentation haute tension pour le circuit de commande.

Gain commuté gammes de courant

L'équipement d'essai nécessite souvent plusieurs gammes de courant. Une approche par gaine commutée utilise des relais de précision ou des commutateurs analogiques pour sélectionner différentes résistances sens et plages de tension de référence. La conception doit tenir compte de la résistance au contact des commutateurs et des EMF thermiques, surtout aux faibles niveaux de courant où les erreurs de niveau milliohm deviennent importantes.

Mise en œuvre pratique dans les équipements d'essai

L'équipement d'essai réel exige plus que des performances théoriques. La disposition, la gestion thermique et les circuits de protection déterminent si une conception atteint sa précision prévue dans les environnements de production.

Mise en page pour la précision des PCB

Les connexions de résistance sensées doivent utiliser la détection Kelvin avec des traces de force et de sens séparées pour éliminer les chutes de tension dues à la résistance au cuivre PCB. L'entrée d'inversion de l'ampli op se connecte directement au terminal de résistance sens sans aucun intermédiaire via ou connecteurs qui pourrait introduire des effets de thermocouple. Les plans au sol devraient être séparés entre le chemin de référence analogique et le chemin de retour de puissance pour empêcher les courants élevés de moduler la tension de référence.

Gestion thermique

La dissipation de puissance dans le sens résistance et transistor de passage provoque un chauffage localisé qui déplace les valeurs des composants et génère des tensions thermoélectriques. L'utilisation de résistances à faibles coefficients d'autochauffage et les éloigner de la référence et op amp minimise les gradients thermiques.

Protection et manipulation des défauts

  • Protection contre les surtensions :[ Les diodes de blocage de série empêchent les dommages lorsque la tension de charge dépasse l'alimentation en ampli op.
  • Limitation actuelle :[ Ajouter un ampli ou un comparateur d'op secondaire pour surveiller la tension sur une petite série de résistance fournit une limite de repli ou de courant constant pendant les conditions de défaillance.
  • Protection du courant inverse: Les diodes scotky en parallèle avec le chemin de charge empêchent le courant inverse lorsque la tension de la source de charge dépasse la conformité de la source de courant.
  • Stabilisation de la charge:[ L'équipement d'essai se connecte souvent aux câbles et aux appareils avec une capacité significative. Un condensateur de rétroaction en parallèle avec la résistance du sens compense le décalage de phase supplémentaire, maintenant la stabilité de boucle à des fréquences élevées.

Vérification de l'étalonnage et de l'exactitude

Pour obtenir la précision spécifiée, les sources de courant de précision doivent être étalonnées par rapport aux normes externes. La procédure d'étalonnage consiste à mesurer le courant de sortie avec un ammètre de précision ou à travers une résistance à la chasse étalonnée, puis à régler la tension de référence ou à compenser les erreurs de compensation.

Techniques d'auto-calibration

L'équipement d'essai avancé comprend des sources de référence d'étalonnage intégrées qui permettent à la source actuelle de mesurer et de corriger ses propres erreurs. Une référence de tension stable et une ADC de précision mesurent la tension de sens réelle et calculent le courant réel. Le système ajuste ensuite un potentiomètre numérique ou un DAC pour annuler l'erreur.

Pour un exemple détaillé des procédures d'étalonnage des sources de courant de précision, veuillez consulter la note d'application des appareils de l'analogue sur l'étalonnage. Des renseignements supplémentaires sur la sélection des résistances de sens sont disponibles dans Guide d'application des résistances de précision de Vishay. Pour une analyse approfondie de la stabilité des sources de courant de Howland, consultez Rapport d'application de Texas Instruments sur les sources de courant différentiel.

Bruit et performance du ripelle

Le fonctionnement à faible bruit est critique lorsque les sources de courant de précision fournissent des circuits de mesure sensibles tels que des capteurs de pont ou des amplificateurs à faible niveau. Les sources de bruit comprennent la référence de tension, le bruit de tension d'entrée de l'ampli op et le bruit thermique provenant de la résistance du sens.

Stratégies de filtrage

Un filtre de deuxième ordre, Sallen-Key, entre la source de référence et l'entrée de non-inversion de l'ampli op, fournit des fréquences de coin inférieures à 1 Hz pour les applications ultra-bruit. Les composants du filtre doivent utiliser des condensateurs à faible diélectrique-absorption et des résistances à film métallique pour éviter d'introduire la dérive ou la microphonie.

Rejet de l'alimentation électrique

Les post-régulateurs linéaires dédiés pour l'alimentation en ampli et l'alimentation de référence améliorent le rapport de rejet de l'alimentation (PSRR) de 40 dB ou plus. Les filtres Pi utilisant des billes de ferrite et des condensateurs électrolytiques à l'entrée de la carte de circuit fournissent une atténuation supplémentaire pour les fréquences supérieures à 1 MHz.

Applications dans les essais de production

Les sources et les puits de courant de précision jouent un rôle diversifié dans les environnements d'essai de production. Les testeurs de paramètres semiconducteurs utilisent des sources de courant programmables pour forcer le courant tout en mesurant la tension, en extrayant des paramètres tels que le facteur diode idéalité et le transistor bêta.

Caractérisation des composantes

Pour caractériser les diodes Zener et les références de tension, il faut trouver des courants connus tout en mesurant la stabilité de la tension au fil du temps. Un évier de courant de précision configuré pour tirer 10 μA du dispositif en essai révèle le bruit de tension et la dérive à long terme qui resteraient cachés avec un courant moins stable.

Essai et simulation de la batterie

L'équipement d'essai de batterie utilise des éviers de courant programmables pour appliquer des charges et des sources de décharge contrôlées pour simuler les profils de charge. La précision de la régulation actuelle affecte directement la capacité calculée et les mesures de résistance interne.

Intégration au contrôle numérique

L'équipement d'essai moderne relie les circuits de courant de précision aux systèmes de commande numérique par l'intermédiaire de DACs pour la mise en tension de référence et de CDA pour la surveillance du courant réel. L'interface numérique permet des séquences de test automatisées et des enregistrements de données tout en maintenant la précision analogique des composants de réglage du courant.

Coefficients d'étalonnage

Les corrections polynomiales compensent la non-linéarité dans la résistance au sens et la variation de gain de l'ampli op avec la tension de sortie. Une correction typique utilise un polynôme de troisième ordre pour réduire les erreurs résiduelles de 0,1% à moins de 0,01% dans toute la gamme de conformité sans exiger de composants de garniture analogiques coûteux.

Pour des conseils sur la mise en œuvre de l'étalonnage numérique dans les équipements d'essai, voir Note d'application de Maxim Integrated sur les systèmes d'étalonnage numérique.

Orientations futures en matière de conception actuelle de précision

Les progrès de la technologie des amplis d'op continuent de repousser les limites de ce qui est réalisable avec les circuits sources courants. Les amplificateurs autozéro avec des tensions offset inférieures à 1 μV éliminent le terme d'erreur dominant pour les applications à faible courant, permettant des courants sources dans la gamme nanoamp avec une précision supérieure à 1%.

Les boucles de rétroaction numériques fonctionnant en même temps que le contrôle analogique promettent une bande passante adaptative qui s'adapte aux changements d'impédance de charge en temps réel. Ces systèmes maintiennent la stabilité dans un plus large éventail de conditions d'essai tout en préservant la précision DC du chemin de référence analogique.