專利名稱：可編程增益跨阻抗放大器過載恢復電路的制作方法
技術領域：
本發明大體來說涉及電容組件的測試。
背景技術：
在已知的用于測試電容組件(例如，電容器)的設備及方法中，首先將所述組件充 電到所需電壓。然后，測量泄漏電流。超出范圍的泄漏電流值可指示所述組件有缺陷。
發明內容
本發明實施例提供一種在自動大量生產過程中特別期望的加速測試電容組件的 方法。特定來說，本發明提供迅速從過載恢復以執行所需測試的設備的實施例。下文更詳細地描述某些實施例的發明性特征。
本文中的說明是參照附圖，其中在數個視圖中相同的參考編號指代相同的部件， 且圖式中圖1是根據本發明一個實施例的跨阻抗放大器的示意圖；圖2是根據本發明另一實施例的跨阻抗放大器的示意圖；圖3是根據本發明又一實施例的跨阻抗放大器的示意圖；圖4是圖解說明每一級的可編程增益的根據圖3的跨阻抗放大器的示意圖；可使 用本發明的所述實施例；及圖5是可使用的根據本發明的實施例的電子組件處置器的平面圖；圖6是并入有根據圖1的跨阻抗放大器的快速恢復電流吸收器的示意圖。
具體實施例方式當測試電容組件(例如多層陶瓷電容器(MLCC))泄漏電流時，由于未充電電容組 件將一些充電電流傳遞到感測電路，因此存在所述感測電路容忍的大的電流，其中所傳遞 電流的大部分被吸收到充電二極管中。理想地，電容組件一旦被充滿電便不再傳遞電流。而 實際中，泄漏電流通過且對此電流的準確測量是對所述電容組件的質量(具體來說絕緣電 阻)的重要度量。按常規，此類測試是使用包含具有相應增益的一個或一個以上運算放大器 (opamps)的電路來執行。對于運算放大器來說，在給定配置中在運算放大器達到飽和之前 存在對其輸入信號可以為多大的有限限制。當運算放大器處于飽和中時，所述運算放大器 的輸出固定在其正或負供應電壓處直到輸入信號減小到其中所述運算放大器處于其工作 范圍中且可提供正確輸出信號的點為止。運算放大器可多快地走出飽和是由數個因素決 定，包含(但不限于)其輸出電流供應源能力、配置及加載。當電路含有多于一個運算放大 器時，第一級運算放大器的輸入處致使輸出飽和的過載可使隨后級也處于飽和條件中。
當在數據采集中進行測試時，且速度是重要的情形下，期望從過載條件迅速恢復 以使得可在給定時間獲得準確數據及/或以使得可迅速獲得下一組數據。因此，本文中所 述本發明實施例主動將測量電路驅逐出此類過載。圖1顯示根據本發明一個實施例的跨阻抗放大器。圖1包含提供恒定電流Iin的 電流源10。在給定所需輸出值的情形下，電流源10可通過所屬領域的技術人員的知識范 圍內的任何數目電路設計來實施。舉例來說，電流源10可表示供應可變電壓的電壓源的組 合，所述可變電壓耦合到如在第2008/0290879A1號共同讓與的美國專利公開案中所述的 可編程電流源，所述專利公開案的全部內容以引用方式并入本文中。在圖1中，以虛線顯示待測試的電容組件，后文稱為受測裝置(DUT)20。如后文額 外詳細地論述，在多個此類裝置連接到電流源10及包含跨阻抗放大器的測量電路之后對 其進行按序測試。DUT 20串聯耦合到電流源10，且從中穿過的電流通過電阻器14供應到布置為電 流感測放大器12的運算放大器的反相輸入。電流感測放大器12的非反相輸入接地。自 Vout到電流感測放大器12的反相輸入的反饋通過與電容器18并聯的電阻器16來提供。 電阻器16的值為Rf。電流感測放大器12的轉移函數為Vout = _Iin*Rf，此意指對于給定輸入電流，輸 出電壓Vout是輸入電流與電阻值Rf的數學乘積。歐姆值Rf是基于設計要求選擇的。舉 例來說，假設所測量泄漏電流為在+/-ImA之間的值，其中滿刻度表示Vout處的+/-5伏。可 使用5kQ的Rf值。滿刻度由設計者基于應用而界定。后文關于圖4更詳細地論述Rf值 的編程。圖2包含具有作為第一級的圖1的電流感測放大器12的跨阻抗放大器，其中添加 有呈運算放大器形式的布置為非反相電壓放大器22的非反相增益級。當嘗試監視低電平 信號時，可需要一個或一個以上額外增益級，例如圖2中所見的增益級。又可增加第一放大 器中的Rf值。然而，發明者發現在電流感測放大器12的運算放大器達到其增益或帶寬極 限時，此解決方案可能是有問題的。而且，在某些情況中，保持Rf歐姆值較小可有助于系統 的噪聲增益。由第二級非反相電壓放大器提供的額外放大器允許應用與用于先前所述第一 級相同的邏輯來確定范圍及滿刻度值。在圖2中，第一級的輸出(電壓Vin)提供到電壓放大器22的非反相輸入。從電 壓放大器22的輸出到其反相輸入的反饋是通過具有R3電阻值的電阻器24提供，且反相輸 入通過具有R2電阻值的電阻器26接地。此增益級的轉移函數是Vout = Vin*(l+R3/R2). 如先前所述，且在第一級的輸出為Vin的情形下，第一級的轉移函數為Vin = -Iin*Rf。因 此，在已知電流Iin及所需最大輸入電壓Vin和所需最大輸出電壓Vout的情形下，可指定 Rf、R3及R2的適當值。舉例來說，在預期待測量的泄漏電流屬于+/_1μΑ(代替如上文實 例中的+/-ImA)之間且滿刻度表示+/-5V的情形下，Rf的歐姆值等于1. 25ΜΩ，其中第二級 的增益(1+R3/R2)等于4。盡管將第二級顯示為非反相電壓放大器22，但運算放大器可替代地布置為后文關 于圖4額外詳細描述的非反相單位增益緩沖器。同樣，基于本文中的教示內容，若需要可包 含多于一個放大級。圖3包含圖2中所示的第一及第二級且添加從第二級的輸出到第一級的反相輸入的額外反饋電路。如圖3中所示，第二非反相增益級的電壓放大器22的輸出連接到兩個背 對背齊納二極管28。齊納二極管28通過電阻器30串聯連接到接地。布置為非反相緩沖 器32的運算放大器在齊納二極管28后面。即，齊納二極管28耦合到緩沖器32的非反相 輸入且反饋路徑34提供于緩沖器32的輸出與其反相輸入之間。緩沖器32的輸出連接到 背對背信號二極管36，其又耦合到第一級的電流感測放大器12的反相輸入。更特定來說， 圖1及2的電阻器14由圖3中的電阻器14a及14b替代，且由背對背齊納二極管28、非反 相緩沖器32及背對背信號二極管36提供的反饋電路連接到電阻器14a與14b之間的節點 38。在此電路中，在期望、預期范圍中的輸入電流允許所述電路如先前所論述所述級 的轉移函數所確定以線性方式運轉。在正常操作期間，背對背齊納二極管28防止電流流到 反饋路徑，因為Vout低于齊納二極管的導通電壓。非反相緩沖器32是不活動，且背對背信 號二極管36防止電流從節點38流到非反相緩沖器32的輸出。然而，在到所述電路的輸入 電流(亦即，到第一級電流感測放大器12的反相輸入的輸入電流)超出范圍且足夠大以驅 動放大器的輸出到其軌中的任一者的情形下，來自電壓放大器22的電壓輸出Vout開始朝 向其電源軌移動。一旦足夠大以導通齊納二極管28，則Vout將處于齊納二極管28的箝位 電壓處。然后，將箝位電壓提供到非反相緩沖器32，其是針對高電流驅動能力按期望選擇。 來自緩沖器32的輸出的電流供應到信號二極管，所述信號二極管在來自緩沖器32的足夠 電流供應到其之后開始導電，此又主動驅動節點38處的電位降低。隨著此電位降低，電流 感測放大器12所經歷的輸入信號減小以允許所述放大器開始從其輸入處的過載恢復。盡管圖3圖解說明從第二級的輸出到第一級的反相輸入的反饋電路，但圖3的反 饋電路可借助圖1中所教示的單個級來實施。至少出于穩定性原因，此通常是較不期望的， 但卻是可能的。同樣，圖3的配置可借助用如關于圖4所述的緩沖器來替代圖2的非反相 放大器22來實施。如圖4中所示，電路拓撲中的增益可為可編程的。在圖4中，第一級及第二級兩 者的增益可相依于應用來編程。除了圖3中所示的配置以外，圖4還包含耦合到針對電流 感測放大器12的兩個反饋電路的現場可編程門陣列(FPGA)50。更特定來說，第一反饋電 路52包含并聯布置的電阻器16a及電容器18a，且第二反饋電路54包含并聯布置的電阻 器16b及電容器18b。如先前關于電阻器16所述，16a或者16b的值為Rf。多于兩個反饋 電路也是可能的。FPGA 50經編程以切換接入，即，相依于控制信號1及2啟用第一或第二 反饋電路52、54。類似地，為耦合到非反相電壓放大器22的電阻器26的開關56提供任選 控制。通過將控制信號3施加到開關56，電阻器26(具有值R2)可切換接入電路及斷離電 路。如所屬領域的技術人員將根據此說明認識到，省略電阻器26將把運算放大器的配置從 非反相電壓放大器22的配置改變為非反相單位增益緩沖器。當輸出信號Vin不需要放大 時，此配置是有用的。如在圖3的論述中，如果需要可整體上省略第二級。在此實施例中的控制信號1、2及3是由微型計算機提供的，除了各種輸入及輸出 連接以外，所述微型計算機還包含隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、保持激活存 儲器(KAM)、中央處理單元(CPU)等。舉例來說，在下文關于圖5所述的應用中，所述微型計 算機運行軟件程序以執行所述測試，包含由用戶呈現設置菜單，其包含例如相依于電容組 件的大小的預期泄漏電流及對應滿刻度電壓等信息。作為對此菜單的響應，微型計算機可通過提供到FPGA 50及開關56的控制信號1、2及3來編程增益。當然，FPGA 50的功能可 由一個或一個以上硬件組件來實施。可使用任何數目個固態開關來實施開關56。在電路拓撲中具有可編程增益允許含有所述電路的任何儀表具有大的動態范 圍。舉例來說，測量能力可在介于+/-ImA之間的泄漏電流值的范圍內，其中分辨率下至 +/-200pA。當需要此類精確測量時，僅使用Rf、R3及R2的固定值難以實現此任務。將此 范圍細分成多個區使得所述任務對于所涉及的硬件來說較容易。在這些范圍內，Rf、R3及 R2的歐姆值可通過如上文所述界定每一范圍的滿刻度電壓及第二級的增益值來指定。當儀 器需要大的動態范圍時，可按期望編程電流感測放大器12的Rf的歐姆值及放大器22的增 益。接著，不相依于范圍，如果到所述電路的輸入電流足夠大以在電流感測放大器12處引 起過載，則朝向齊納二極管28導通電壓驅動放大器22的輸出。一旦達到所述電壓，則反饋 網絡激活，從而輔助所述電路比放大器12或22通過自身可實現的速度快得多地返回到其 線性范圍且一旦電流感測放大器12的輸出電壓與放大器22的增益的乘積低于齊納二極管 導通電壓則關斷。所述電路回到其線性范圍中。如所提及，當預期泄漏電流值范圍時，細分所述范圍且基于每一范圍控制可編程 增益為所期望的。以下表提供泄漏電流的四個不同范圍的值作為本發明的可編程增益教示 的應用的實例。
權利要求
一種用于測量電容組件的泄漏電流的設備，所述設備包含至少一個運算放大器，所述設備包括第一級放大器，其經配置以在反相輸入處從串聯連接的電容組件接收輸入；及反饋電阻器，其位于所述第一級放大器的反饋路徑中，所述反饋電阻器的電阻值相依于所述泄漏電流的預期值及所述第一級放大器的對應滿刻度電壓。
2.根據權利要求1所述的設備，其中所述反饋電阻器是可編程的，所述設備進一步包括用于將所述反饋電阻器的所述電阻值編程到多個值中的一者的構件。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的設備，其進一步包括第二級放大器，其耦合到所述第一級放大器的輸出，所述第二級放大器包含可編程增
4.根據權利要求3所述的設備，其進一步包括用于將所述可編程增益從單位增益切換到大于單位增益的值的構件。
5.根據權利要求3所述的設備，其中所述第一級放大器的所述輸出耦合到所述第二級 放大器的非反相輸入。
6.根據權利要求5所述的設備，其中所述第二級放大器包含可編程增益，改進進一步 包括開關，其經配置以將所述可編程增益從單位增益切換到大于單位增益的值。
7.根據權利要求6所述的設備，其進一步包括反饋路徑，其從所述第二級放大器的輸出到所述第一級放大器的所述反相輸入處的求 和點。
8.根據權利要求7所述的設備，其中所述反饋路徑包括用于防止電流從所述第二級放大器的輸出到所述第一級放大器的所述反相輸入處的 所述求和點的流動直到所述第二級的所述輸出超過所界定范圍的值為止的構件；及用于限制電流在從所述求和點到所述第二級放大器的所述輸出的方向上流動的構件。
9.根據權利要求8所述的設備，其中所述所界定的范圍包含大于所述第二級放大器的 飽和電壓的值。
10.根據權利要求7所述的設備，其中所述反饋路徑包括 背對背齊納二極管，其耦合到所述第二級放大器的所述輸出；緩沖器放大器，其包含耦合到所述背對背齊納二極管的非反相輸入；及 背對背信號二極管，其耦合到所述緩沖器放大器的輸出且耦合到所述第一級放大器的 所述反相輸入的所述求和點。
11.根據權利要求1所述的設備，其進一步包括反饋路徑，其從所述第一級放大器的輸出到所述第一級放大器的所述反相輸入，所述 反饋路徑經配置以在所述第一級放大器的輸出值指示所述第一級放大器的飽和時減小去 往所述反相輸入的輸入。
12.根據權利要求1或權利要求2所述的設備，其進一步包括 第二級放大器，其耦合到所述第一級放大器的輸出；及反饋路徑，其從所述第二級放大器的輸出到所述第一級放大器的所述反相輸入，所述反饋路徑經配置以在所述第二級放大器的輸出值指示所述第二級放大器的飽和時減小去 往所述反相輸入的輸入。
13.根據權利要求12所述的設備，其進一步包括可編程裝置，其經配置以相依于所述泄漏電流的所述預期值及所述第一級放大器的所 述對應滿刻度電壓而將所述可編程反饋電阻器從第一值切換到第二值。
14.根據權利要求12所述的設備，其進一步包括二極管箝位電路，其耦合到所述第一級放大器的所述反相輸入。
15.根據權利要求12所述的設備，其進一步包括 電流源，其耦合到所述串聯連接的電容組件。
全文摘要
本發明教示用于測量電容組件的泄漏電流的設備的實施例。一個實施例包含經配置以在反相輸入處從串聯連接的電容組件接收輸入的第一級放大器及位于所述第一級放大器的反饋路徑中的反饋電阻器。所述反饋電阻器的電阻值可基于所述泄漏電流的預期值及對應電壓輸出來編程。
文檔編號G01R19/00GK101981459SQ200980111212
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月13日 優先權日2008年3月31日
發明者布蘭登·麥柯里, 布賴恩·約翰森 申請人:電子科學工業有限公司