开尔文连接的详细解释

        开尔文连接是集成电路测试的基础知识之一,一般线路中的电流大于10mA或者100mA以上,需要测量的电压精度要求在mV级别时,就必须使用开尔文连接。

        因为集成电路测试通常无法将测试电路做到被测器件附近,通常会有0.5米到2米的接线。另外,为了方便连接不同的DUT(Device Under Test,被测器件),这些接线通常会采用插接件,线路中也经常会采用电子开关或者继电器,而这些都会引入线路电阻。这时,导线就不再是理想的,必须考虑导线的电阻的影响。

       先从最简单的缓冲器电路开始。

        缓冲器的电路,只考虑了运放的输出端,没有考虑地线。实际电路中,地线上的电流更大,因为电路中的电流一般是通过地线返回的。因为要考虑地线一侧的接线电阻,所以,这时反馈电压必须采用差分输入的形式。为了方便说明,这里使用电压控制电压源作为差分放大器使用。

        下图是一个简单的直流电源的模型。VDAC,用于设置输出电压。EAMP代替运算放大器,注意,放大倍数很大,这里为1e8,也就是160dB。ESUM代替差分放大器,为了简单,这里设置放大倍数为1。

        开尔文连接通常叫做四线连接,因为有四条线,如下图所示,分为 High Force,High Sense,Low Sense,Low Force。其中High Force和Low Sense就是走大电流的线路,统称为Force线,线路上的电阻就不能忽略。而High Sense和Low Sense,用于检测电压,统称为Sense线,通常电流很小,可以忽略不计,因此可以忽略线路上的电阻。

        这里问一个小问题,如果负载RLoad需要并联一个电容,那么电容应该连接到Force线上还是Sense线上?

        这个电路是可以在LTspice中仿真的。这里再提供一下开尔文连接的计算。

        如上图所示,当EAMP的放大倍数a,a趋于无穷大的时候,Vsum=Vin,也就真正的实现了一个开尔文连接的缓冲器。

        这种结构,也就是集成电路自动测试设备ATE的V/I源的基本结构。在High Force或者Low Force线路中串联一个电阻,检测电阻两端的电压,就可以实现电流测量。如果使用这个电流两端的电压作为反馈控制信号,就可以实现恒流源。V/I源就是通过切换不同的反馈控制方式来实现恒压输出(Force Voltage,FV模式)和恒流输出(Force Current,FI模式)的。上图在LTspice中仿真,还可以尝试修改ESUM的放大倍数,可以观察计算一下,这个放大倍数对VH和VL之间的电压有什么影响。

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此为分割线,以下为蹭热度补充内容

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        在IC测试中,或者分立元件的测试中,开尔文连接的作用就是为了获取准确的电压测量,或者准确的电压输出。

        以简单的电阻测量为例,如果使用两线测量,无论是输出电压测量电流的方式,都会受到导线电阻的影响:

        从集总参数角度来说,串联电路中,电流处处相等,那么很容易从串联的电流采样电阻上获得串联电路的电流值。但是电压值,就会受到线路电阻的影响。因此开尔文连接的本质就是将电压分开测量。简化电路如下图所示。

        在实际电路中,利用运放放大器的“虚断”,即输入端电流为零来实现零输入电流的电压测量。低输入偏置电流的运算放大器的实际输入端电流大约是fA级,f是10的-15幂。其实际电压测量电路如下图所示:

        利用仪器放大器,或者缓冲器加差分放大电路,就能够实现相对比较精确的电压测量。能测量到精密的电压,利用这个电压进行反馈,就能够得到准确的输出电压:

        上图x和y之间的电压就是输出到电阻RDUT两端的电压,即C点的电压,再利用运算放大器的“虚短”,则A点电压与C点电压相等,那么Vin(或者说Uforce)就等于了UDUT。这样就实现了精确电压输出。补充部分,就是对前面的模型的进一步补充说明。

 

posted @ 2021-06-05 10:56  颜秋哥  阅读(22562)  评论(4编辑  收藏  举报