电压反馈型运放电参数可靠性测试方法∗

2022-03-14 15:18李明煜

舰船电子工程 2022年2期

李明煜吕乐

（中国航天科工防御技术研究试验中心北京 100854）

1 引言

在可靠性要求较高的行业，电参数可靠性分析研究至关重要［1-2］。集成运放因其具有成本低、动态范围宽和高可靠性的优点，被广泛用于各种模拟应用领域［3～4］，目前有较多运放自身电路设计的研究［5～8］，但对运放可靠性测试方法综述类的文章较少［9～13］。

本文较为全面地梳理运放典型参数测试方法。从运放环测试原理出发，结合模拟电路原理［14～15］对比分析国内外多个测试机台电压反馈型运放板卡的设计，给出电压反馈型运放通用测试电路，并对单/多运放、单/双电源下十余项静态、动态参数测试目的、测试原理、测试方法及调试方法进行梳理总结。最后基于本文所述测试方法编写程序，通过设计一款适用于某型号ATE的运放环电路对比配套运放环，对AD公司较为复杂的高速双电源、双运放AD8066ARZ进行电参数测试，验证本文设计方法的正确性。本文的研究对从事运放可靠性测试及测试电路设计的工作者具有一定的指导意义。

2 运放测试电路模型

2.1 运放基本测试模型

图1为运放环电路抽象通用模型。图中，DUT代表被测运放，AMP代表辅助运放。多运放测试时通过继电器切入待测运放逐一测试。八个继电器来切换待测运放，其中每两个继电器，分别对应1-4运放接入状态。采样电阻RM组为RI挡、VIN输入源设置。波形发生器AWG、时间测量单元OTMU测SR用。运放供电源VS组为DUT、AMP供电源及表，测试每个参数都使用。K测试电路切换开关，选择开环/闭环/辅助运放闭环测试电路。负载电阻RL及负载电源VL挡为输出负载及VO条件设置。

图1 运放环基本模型

2.2 测试设备硬件资源

运放测试电路需要用到的供电源及电表由测试设备提供。测试 VOS、IB、IOS、AVO、CMRR、PSRR、IS、SR、VO、IO电参数需要4个电压源供电V+、V-、Vs、VL，2个电压表测AMP输出端、VOUT端，3个电流表测V+、V-、VOUT。电源类ATE设备每个测试通道通常包含四象限，即一个通道可设置为电压/流源、电压/流表。因此需至少7个测试通道。

在使用不同测试设备时，需要根据测试设备硬件资源分配测试通道给运放环。本文以某型号ATE为例进行测试端口配置，主要用到硬件资源为模拟单元APU12（12个APU通道）。

表1 APU资源

2.3 调试注意事项

1）测试顺序

一般先测试VOS，VOS稳定后再调试其他参数。IS一般放置最后测试。

2）单双电源时测试参数区别

（1）双电源测 PSRR+、PSRR-，单电源只测PSRR同PSRR+；

（2）双电源设VO=0，单电源VO为0～Vs范围内某值，典型值一般为1.4V。

3）单、多运放时测试参数区别

（1）电源静态电流IS，仅设置一个测试通道；

（2）多运放采用的是并联供电方式。通常根据芯片数据手册参数表中IS项卡线表达方式不同分别设置，若为per或者/Amplifier时指每个运放的静态电流，此时运放个数为乘积系数。若为both/all时指所有运放的静态电流值系数为1。

4）源表量程设

（1）量程调为最接近设置值的。压摆率较低SR<1V/μs时，选择相应低量程uS挡测试。且输出采样幅度 ≤输入阶跃幅度*G；

（2）为保护运放，通常设置输出电压嵌位值，在测试IB、IOS时，测量电压量程设置需要考虑采样电阻*被测电流*环路增益 ≤输出电压嵌位值。

3 运放电参数测试原理

3.1 辅助运放闭环测试参数

VOS、IOS、IB、AVO、CMRR、PSRR、IS参数采用辅助运放闭环电路进行测试。图中VMEAS为电压表测量值，VOUT为待测运放输出值，g_loop=为环路增益。

图2 辅助运放闭环电路

辅助运放闭环测试电路［16～17］所测参数是以VOS为基本测量单元的，VOS值很小，最大的也只有几十毫伏。测量结果容易受噪声影响。必须通过辅助运放使被测运放DUT构成闭环，避免由于仪器测量精度限制影响结果精确度。通过测量辅助运放输出端电压，利用电阻分压，得到相应测试参数值，辅助运放形式是积分器，一般通过调节积分器的电容值，来调节环路稳定性。容值越大，越稳定，但是测试时间会越长。

3.1.1 输入失调电压VOS

VOS是输出直流电压为零时输入的直流电压。所有辅助闭环测试参数的基础，后面的参数的计算都是以VOS为基本测量值计算（计算过程中都涉及 VOS，但是 AVO、PSRR、CMRR 计算过程中VOS被消掉）。

测试时，K1，K2继电器吸合。

3.1.2 输入偏置电流IOS，输入失调电流IB

IB+、IB-为由于工艺上两个管子的不完全匹配，造成的两个管子Q1和Q2的基极电流的差别，就是输入的失调电流。测试时，需要设置采样电阻。

其中采样电阻阻值、环路放大倍数、待测运放电流值之间乘积要小于输出电压嵌位值。需要合理选择采样电阻阻值、环路放大倍数值。当电流为pA级时要适当增加测量延时，有些测试设备在测量微弱电流值时，电阻采样精度达不到采用电容法采样测量。

测试时，K1继电器吸合，K2继电器断开，测量IB+，K2继电器吸合，K1继电器断开，测IB-。

3.1.3 开环电压增益AVO

AVO为在不具负反馈情况下（开环路状况下），运算放大器的放大倍数。开环增益大于110dB的要适当增加延时。

测试时，K1，K2继电器吸合，分别设置Vout1，Vout2。

3.1.4 共模抑制比CMRR

CMRR是两次共模电压下差模增益与共模增益的比值之差。它的测试有两种方法，分为共模输入法、变电源法。当运放输入端固定接地时需要使用变电源法。

图3 变电源法

共模电源法测试方法为DUT正端与地之间接Vcm，V+=V-=Vcm；例：Vs=5V，Vcm=+1～+4。则设置Vcm1=+1，Vcm2=+4，单电源VO=0V。

图4 共模电压法

变电源法测试方法为正负Vs+Vcm。变电源法需满足公式：

1）Vs+-Vs-恒定等于测试条件Vs之差；

2）Vs1=Vs-Vcm1，Vs2=Vs-Vcm2；

例：Vs=5V，Vcm=+1～+4。则设置等效为Vcm=+1 时，设 Vs1+=5-1=4，Vs1-=0-1=-1，Vout1=（Vs1++Vs1-）/2=（4-1）/2=1.5。同理等效为 Vcm=+4 时。Vs2+=1，Vs2-=-4，Vo2=-1.5

其中，Vcm指共模电压，运放的两个输入引脚电压的平均值，Vs为运放供电电源值。Vout为运放输出。

测试时，K1，K2继电器吸合，设置两个Vcm，得到

3.1.5 电源电压抑制比PSRR

PSRR为把电源的输入与输出看作独立的信号源时，输入（供电电源Vs）与输出的纹波比值。单位电源电压变化引起的输入失调电压的变化率。双电源分为PSRR+，PSRR-，单电源的为PSRR。PSRR=20log｛［ripple（in）/ripple（out）］｝。

测试时，K1，K2继电器吸合，设置两个Vs值，得到

3.1.6 静态电源电流IS

IS为在指定电源电压下器件消耗的静态电流，通常定义在空载情况下。单电源器件只测IS+=IS。

测量时，设置Vo，测试Vs端电流即为IS。

3.2 自身闭环测试参数

SR参数采用自身闭环电路进行测试。

图5 自身闭环测试电路

SR为变化率，是一个动态参数，与稳态值直流误差无关。且由误差所引起的偏差与实际测量值相比数量级相差较大可忽略不计。根据数据手册中测试条件G的值设置闭环电路环路增益进行测量。

SR为输入端施加规定的大信号阶跃脉冲电压时，输出电压随时间的最大变化率。运算放大器输出电压的转换速率，反映运算放大器在速度方面的指标，也称转换速率，是高速运放的重要指标。

测试时，给输入一个方波跳变，Vout=G*Vin，输入范围根据手册测试条件Step设置，输出采样范围设置根据关系式设置，输出采样范围/G≤输入阶跃幅度，计算SR。

3.3 开环测试参数

VO、IO参数采用开环测试电路进行测试（也可采用闭环测试电路测试）。

VO、IO测的是电压、电流输出最大摆幅。根据开环关系，VO=Aod*Vin，通过输入大于线性区阈值（几十uV级别）的输入电压［9］。利用输出电压非线性区特性测最大摆幅。通常设Vin=0.5V，测VO、IO。

图6 开环测试电路

VO、IO是输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压、电流摆幅的峰值，一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。VOH、IOH测最小值，VOL、IOL测最大值。

测试时，根据测试条件设置负载电阻及负载电压，测量DUT输出电压即为VO、IO。

4 实验验证

为了验证前述方法的正确性，根据前述模型设计运放环电路板及适配器，并根据前述运放测试方法编写测试程序。选择测试设备配套的运放环与本文设计的运放环对VOS、IB、IOS、AVO、CMRR、PSRR、IS、SR、VO进行电参数可靠性测试对比实验。为避免测试结果的偶然性，选取1只TI公司的高速运放AD8066ARZ作为待测芯片进行20次测试，记录每次测试结果。测试条件为常温下，Vs=±5V。