一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路

技术领域

本发明涉及仪器仪表测试技术领域，更具体地，涉及一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路。

背景技术

源-测量单元(Source Measure Unit， SMU)是一种集成电压源、电流源、电压表和电流表的测量单元，广泛应用于各类半导体的测试领域。随着半导体行业的快速发展，半导体厂家对器件测试的需求越来越多，精度要求也越来越高。在某些产品的测试应用中，源电流、电压会受到负载端的影响，对测试的源电流、电压、动态适应性要求极高，负载的变化也将引起输出产生一定误差。鉴于上述存在的问题，如何解决测试过程中负载的变化也将引起输出产生一定误差是本领域技术人员竭力解决的问题。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路，采用硬件环和数字环相结合的设计，可以在负载变化时，有效、及时调节输出电流和电压，提高输出精度。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路，包括：

主控单元、第一模数转换单元、第二模数转换单元、参数测量单元、误差放大器、功率放大器、采样电阻、电流采集单元和电压采集单元；所述浮地电路的输出端包括第一输出端和第二输出端；所述参数测量单元包括数模转换器、比较器和钳位电路；

所述主控单元与所述参数测量单元、所述误差放大器、所述功率放大器、所述采样电阻和所述第一输出端依次连接；

所述电流采集单元与所述采样电阻两端相连，所述电流采集单元还与所述第一模数转换单元、所述参数测量单元相连；

所述电压采集单元与所述第一输出端、所述第二输出端相连，所述电压采集单元还与所述第二模数转换单元、所述参数测量单元相连；

所述第一模数转换单元、所述第二模数转换单元与所述主控单元相连；

其中，所述主控单元用于接收经所述第一模数转换单元和所述第二模数转换单元的输出电流数据和输出电压数据，与目标值比较计算，调节向所述参数测量单元输出的信号。

作为本发明的一种优选方案，所述误差放大器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同向输入端和参数测量单元连接，所述第一运算放大器的反向输入端接第一参考地，所述第一运算放大器的输出端接功率放大器。

作为本发明的一种优选方案，所述电流采集单元包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的同向输入端和反向输入端作为所述电流采集单元的输入端，分别与所述采样电阻的两端相连，所述第二运算放大器的输出端作为所述电流采集电源的输出端，与所述参数测量单元、所述第一模数转换单元相连。

作为本发明的一种优选方案，所述电压采集单元包括隔离器、第一跟随器、第二跟随器和差分放大电路，其中，所述隔离器的输入端与所述第二输出端相连，所述第一跟随器的输入端连接所述第一输出端和所述隔离器的输出端，所述第二跟随器的输入端连接所述隔离器，所述第一跟随器与所述第二跟随器的输出端连接所述差分放大电路的输入端，所述差分放大电路的输出端作为所述电压采样单元的输出端，与所述参数测量单元、所述第二模数转换单元相连。

作为本发明的一种优选方案，所述差分放大电路包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的同向输入端与所述第二跟随器的输出端连接，反向输入端与所述第一跟随器的输出端连接，所述第三运算放大器的输出端作为所述电压采集电源的输入端，与所述参数测量单元相连。

作为本发明的一种优选方案，所述第一跟随器包括第四运算放大器，所述第二跟随器包括第五运算放大器；其中，所述第四运算放大器的同向输入端与所述第一输出端连接，反向输入端与所述隔离器的输出端连接；所述第五运算放大器的同向输入端与所述隔离器的输出端连接，反向输入端与所述第五运算放大器的输出端连接；所述第四运算放大器与所述第五运算放大器的输出端连接所述差分放大电路的输入端。

作为本发明的一种优选方案，所述隔离器包括第六运算放大器，所述第六运算放大器的同向输入端与第二参考地连接，反向输入端与所述第六运算放大器输出端连接。

作为本发明的一种优选方案，所述电流采集单元与所述差分放大电路中的运算放大器采用第一电压供电，参考地为第一参考地；所述第一跟随器与所述第二跟随器中的运算放大器采用第二电压供电，参考地为第一输出端；所述隔离器中的运算放大器采用第三电压供电，参考地为第二参考地；其中，所述第一电压、所述第二电压与所述第三电压的参考地相互隔离。

作为本发明的一种优选方案，所述功率放大器的输出电压小于等于第一阈值时，所述功率放大器采用第四电压供电；所述功率放大器的输出电压大于第一阈值时，所述功率放大器采用第五电压供电；所述第四电压与所述第五电压的参考地为第二参考地；所述功率放大器的供电电路通过开关切换。

作为本发明的一种优选方案，所述参数测量单元包括独立的数模转换器、比较器和钳位电路；所述数模转换器、所述比较器、所述钳位电路至少有两个；

其中，第一数模转换器、第一比较器和第一钳位电路依次相连，第二数模转换器、第二比较器和第二钳位电路依次相连；所述主控单元与所述第一数模转换器、所述第二数模转换器相连，所述误差放大器与所述第一钳位电路、所述第二钳位电路相连，所述电流采集单元连接在所述第一比较器的输入端，所述电压采集单元连接在所述第二比较器的输入端；

或，所述参数测量单元是集成了数模转换器、比较器和钳位电路的集成芯片

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）本发明提供的一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路，采用硬件环和数字环相结合的设计，可以在负载变化时，有效、及时调节输出电流和电压，提高输出精度；

（2）本发明提供的一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路，功率放大器部分加入多级电源切换，可以减少发热量，提高输出功率；

（3）本发明提供的一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路，采用集成芯片替代数模转换器和钳位电路，可以减小体积，实现多通道输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种SMU子卡电路图；

图2为本发明实施例提供的一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路的整体框架示意图；

图3为本发明实施例提供的一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路的具体电路图；

图4为本发明实施例提供的另一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路的整体框架示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

图1示出了现有技术中的一种SMU子卡电路图，该电路采用数字环结构，可以通过采集输出电流和电压，实时调节输出电流电压的值。为了进一步提高输出调节的精度和实时性，如图2所示，作为本发明的第一实施例，提供了一种SMU子卡高精度自适应控制浮地电路。在本实施例提供的电路结构中，包括了数字环和硬件环。其中，数字环包括主控单元、参数测量单元、误差放大器、功率放大器、电流采集单元、电压采集单元和两个模数转换单元，硬件环包括参数测量单元、误差放大器、功率放大器、电流采集单元和电压采集单元。

主控单元作为整个电路的控制单元，可以外接上级的控制单元，控制整个高压输出电路的输出。参数测量单元包括数模转换器、比较器和钳位电路，可以选择集成了数模转换器、比较器和钳位电路的集成芯片，或分离的数模转换器电路与钳位电路。

如图3所示，在本实施例中，主控单元采用FPGA，参数测量单元采用集成芯片。误差放大器是第一运算放大器U1，第一运算放大器U1的同向输入端和集成芯片连接，第一运算放大器U1的反向输入端接第一参考地FGND，第一运算放大器的输出端接功率放大器。

功率放大器采用多级供电方式，在本实施例中，功率放大器的供电方式设置为如下方式：设置第一阈值为20V，第四电压为±36V，第五电压为±230V；输出端输出电压20V以下，供电电压为±36V，输出端输出电压20V以上，供电电压为±230V，功放供电电压±36V与±230V采用开关进行切换。

本实施例中，电流的采集方式为设置采样电阻后，通过电流采集单元获取采样电流。其中，电流采集单元采用第二运算放大器U2，第二运算放大器U2的同向输入端和反向输入端作为电流采集单元的输入端，分别与采样电阻的两端相连，第二运算放大器U2的输出端作为电流采集电源的输出端，与集成芯片相连。

本实施例中，电压采集单元用于采集整个电路的输出电压，电路的输出端为第一输出端HI和第二输出端LO。电压采集单元包括了隔离器、第一跟随器、第二跟随器和差分放大电路。其中，差分放大电路包括第三运算放大器U3，第一跟随器包括第四运算放大器U4，第二跟随器包括第五运算放大器U5，隔离器包括第六运算放大器U6。

电压采集单元的连接关系如下：第三运算放大器U3的同向输入端与第五运算放大器的输出端连接，反向输入端与第四运算放大器U4的输出端连接，第三运算放大器U3的输出端作为电压采集电源的输入端，与集成芯片相连；第四运算放大器U4的同向输入端与第一输出端连接，反向输入端与第六运算放大器U6的输出端连接；第五运算放大器U5的同向输入端与第六运算放大器U6的输出端连接，反向输入端与第五运算放大器U5的输出端连接；第四运算放大器U4与第五运算放大器U5的输出端连接第三运算放大器U3的输入端；第六运算放大器U6的同向输入端与第二参考地OGND连接，反向输入端与第六运算放大器U6输出端连接。

在本实施例中，采用的运算放大器是U1~U6，其供电方式设置如下：

U2与U3采用第一电压±VDD供电，参考地为第一参考地FGND；U4与U5采用第二电压±VCC供电，参考地为整个电路的第一输出端；U6采用第三电压±VEE供电，参考地为第二参考地OGND；其中，第一电压、第二电压与第三电压的参考地相互隔离。同时，功率放大器的供电电压±36V和±230V的参考地也设置为第二参考地OGND。

本实施例中，硬件环与数字环的工作方式如下：

当采用硬件环的方式进行控制时，FPGA控制集成芯片发送输出数据到U1，U2采集采样电阻两端电流，U2采集电流送至集成芯片，输出电压经过U4、U5、U6后，经U3差分运放将电压数据送至集成芯片；集成芯片将反馈的电流、电压数据，在集成芯片的内部电路中，将FPGA发来的控制信号与反馈的电流、电压数据通过比较器进行比较，生成输出数据，从而调整输出电流，电压的精度。

当使用数字闭环的方式进行控制时，通过具有SPI接口的通讯设备发送给FPGA目标值等信息，FPGA通过模数转换读回来的值，与目标值进行比较计算，驱动集成芯片，调节输出到集成芯片的信号，从而调整输出电压，电流。同时，FPGA不停的回读模数转换器，不停的将回读值与目标值进行比较计算并通过集成芯片输出，从而使输出达到目标值，此时实现负载的变化，自适应的闭环动态调整，以保证输出精度。

作为本发明的第二实施例，如图4所示，与第一实施例相比，本实施例中，参数测量单元采用独立的数模转换器、比较器和钳位电路；数模转换器、比较器、钳位电路至少有两个；第一数模转换器、第一比较器和第一钳位电路依次相连，第二数模转换器、第二比较器和第二钳位电路依次相连；主控单元与第一数模转换器、第二数模转换器相连，误差放大器与第一钳位电路、第二钳位电路相连，电流采集单元连接在第一比较器的输入端，电压采集单元连接在第二比较器的输入端。其他器件的连接方式与上述第一实施例相同。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。