专利名称：可编程增益跨阻抗放大器过载恢复电路的制作方法
技术领域：
本发明大体来说涉及电容组件的测试。
背景技术：
在已知的用于测试电容组件(例如，电容器)的设备及方法中，首先将所述组件充 电到所需电压。然后，测量泄漏电流。超出范围的泄漏电流值可指示所述组件有缺陷。

发明内容
本发明实施例提供一种在自动大量生产过程中特别期望的加速测试电容组件的 方法。特定来说，本发明提供迅速从过载恢复以执行所需测试的设备的实施例。下文更详细地描述某些实施例的发明性特征。


本文中的说明是参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的部件， 且图式中图1是根据本发明一个实施例的跨阻抗放大器的示意图；图2是根据本发明另一实施例的跨阻抗放大器的示意图；图3是根据本发明又一实施例的跨阻抗放大器的示意图；图4是图解说明每一级的可编程增益的根据图3的跨阻抗放大器的示意图；可使 用本发明的所述实施例；及图5是可使用的根据本发明的实施例的电子组件处置器的平面图；图6是并入有根据图1的跨阻抗放大器的快速恢复电流吸收器的示意图。
具体实施例方式当测试电容组件(例如多层陶瓷电容器(MLCC))泄漏电流时，由于未充电电容组 件将一些充电电流传递到感测电路，因此存在所述感测电路容忍的大的电流，其中所传递 电流的大部分被吸收到充电二极管中。理想地，电容组件一旦被充满电便不再传递电流。而 实际中，泄漏电流通过且对此电流的准确测量是对所述电容组件的质量(具体来说绝缘电 阻)的重要度量。按常规，此类测试是使用包含具有相应增益的一个或一个以上运算放大器 (opamps)的电路来执行。对于运算放大器来说，在给定配置中在运算放大器达到饱和之前 存在对其输入信号可以为多大的有限限制。当运算放大器处于饱和中时，所述运算放大器 的输出固定在其正或负供应电压处直到输入信号减小到其中所述运算放大器处于其工作 范围中且可提供正确输出信号的点为止。运算放大器可多快地走出饱和是由数个因素决 定，包含(但不限于)其输出电流供应源能力、配置及加载。当电路含有多于一个运算放大 器时，第一级运算放大器的输入处致使输出饱和的过载可使随后级也处于饱和条件中。
当在数据采集中进行测试时，且速度是重要的情形下，期望从过载条件迅速恢复 以使得可在给定时间获得准确数据及/或以使得可迅速获得下一组数据。因此，本文中所 述本发明实施例主动将测量电路驱逐出此类过载。图1显示根据本发明一个实施例的跨阻抗放大器。图1包含提供恒定电流Iin的 电流源10。在给定所需输出值的情形下，电流源10可通过所属领域的技术人员的知识范 围内的任何数目电路设计来实施。举例来说，电流源10可表示供应可变电压的电压源的组 合，所述可变电压耦合到如在第2008/0290879A1号共同让与的美国专利公开案中所述的 可编程电流源，所述专利公开案的全部内容以引用方式并入本文中。在图1中，以虚线显示待测试的电容组件，后文称为受测装置(DUT)20。如后文额 外详细地论述，在多个此类装置连接到电流源10及包含跨阻抗放大器的测量电路之后对 其进行按序测试。DUT 20串联耦合到电流源10，且从中穿过的电流通过电阻器14供应到布置为电 流感测放大器12的运算放大器的反相输入。电流感测放大器12的非反相输入接地。自 Vout到电流感测放大器12的反相输入的反馈通过与电容器18并联的电阻器16来提供。 电阻器16的值为Rf。电流感测放大器12的转移函数为Vout = _Iin*Rf，此意指对于给定输入电流，输 出电压Vout是输入电流与电阻值Rf的数学乘积。欧姆值Rf是基于设计要求选择的。举 例来说，假设所测量泄漏电流为在+/-ImA之间的值，其中满刻度表示Vout处的+/-5伏。可 使用5kQ的Rf值。满刻度由设计者基于应用而界定。后文关于图4更详细地论述Rf值 的编程。图2包含具有作为第一级的图1的电流感测放大器12的跨阻抗放大器，其中添加 有呈运算放大器形式的布置为非反相电压放大器22的非反相增益级。当尝试监视低电平 信号时，可需要一个或一个以上额外增益级，例如图2中所见的增益级。又可增加第一放大 器中的Rf值。然而，发明者发现在电流感测放大器12的运算放大器达到其增益或带宽极 限时，此解决方案可能是有问题的。而且，在某些情况中，保持Rf欧姆值较小可有助于系统 的噪声增益。由第二级非反相电压放大器提供的额外放大器允许应用与用于先前所述第一 级相同的逻辑来确定范围及满刻度值。在图2中，第一级的输出(电压Vin)提供到电压放大器22的非反相输入。从电 压放大器22的输出到其反相输入的反馈是通过具有R3电阻值的电阻器24提供，且反相输 入通过具有R2电阻值的电阻器26接地。此增益级的转移函数是Vout = Vin*(l+R3/R2). 如先前所述，且在第一级的输出为Vin的情形下，第一级的转移函数为Vin = -Iin*Rf。因 此，在已知电流Iin及所需最大输入电压Vin和所需最大输出电压Vout的情形下，可指定 Rf、R3及R2的适当值。举例来说，在预期待测量的泄漏电流属于+/_1μΑ(代替如上文实 例中的+/-ImA)之间且满刻度表示+/-5V的情形下，Rf的欧姆值等于1. 25ΜΩ，其中第二级 的增益(1+R3/R2)等于4。尽管将第二级显示为非反相电压放大器22，但运算放大器可替代地布置为后文关 于图4额外详细描述的非反相单位增益缓冲器。同样，基于本文中的教示内容，若需要可包 含多于一个放大级。图3包含图2中所示的第一及第二级且添加从第二级的输出到第一级的反相输入的额外反馈电路。如图3中所示，第二非反相增益级的电压放大器22的输出连接到两个背 对背齐纳二极管28。齐纳二极管28通过电阻器30串联连接到接地。布置为非反相缓冲 器32的运算放大器在齐纳二极管28后面。即，齐纳二极管28耦合到缓冲器32的非反相 输入且反馈路径34提供于缓冲器32的输出与其反相输入之间。缓冲器32的输出连接到 背对背信号二极管36，其又耦合到第一级的电流感测放大器12的反相输入。更特定来说， 图1及2的电阻器14由图3中的电阻器14a及14b替代，且由背对背齐纳二极管28、非反 相缓冲器32及背对背信号二极管36提供的反馈电路连接到电阻器14a与14b之间的节点 38。在此电路中，在期望、预期范围中的输入电流允许所述电路如先前所论述所述级 的转移函数所确定以线性方式运转。在正常操作期间，背对背齐纳二极管28防止电流流到 反馈路径，因为Vout低于齐纳二极管的导通电压。非反相缓冲器32是不活动，且背对背信 号二极管36防止电流从节点38流到非反相缓冲器32的输出。然而，在到所述电路的输入 电流(亦即，到第一级电流感测放大器12的反相输入的输入电流)超出范围且足够大以驱 动放大器的输出到其轨中的任一者的情形下，来自电压放大器22的电压输出Vout开始朝 向其电源轨移动。一旦足够大以导通齐纳二极管28，则Vout将处于齐纳二极管28的箝位 电压处。然后，将箝位电压提供到非反相缓冲器32，其是针对高电流驱动能力按期望选择。 来自缓冲器32的输出的电流供应到信号二极管，所述信号二极管在来自缓冲器32的足够 电流供应到其之后开始导电，此又主动驱动节点38处的电位降低。随着此电位降低，电流 感测放大器12所经历的输入信号减小以允许所述放大器开始从其输入处的过载恢复。尽管图3图解说明从第二级的输出到第一级的反相输入的反馈电路，但图3的反 馈电路可借助图1中所教示的单个级来实施。至少出于稳定性原因，此通常是较不期望的， 但却是可能的。同样，图3的配置可借助用如关于图4所述的缓冲器来替代图2的非反相 放大器22来实施。如图4中所示，电路拓扑中的增益可为可编程的。在图4中，第一级及第二级两 者的增益可相依于应用来编程。除了图3中所示的配置以外，图4还包含耦合到针对电流 感测放大器12的两个反馈电路的现场可编程门阵列(FPGA)50。更特定来说，第一反馈电 路52包含并联布置的电阻器16a及电容器18a，且第二反馈电路54包含并联布置的电阻 器16b及电容器18b。如先前关于电阻器16所述，16a或者16b的值为Rf。多于两个反馈 电路也是可能的。FPGA 50经编程以切换接入，即，相依于控制信号1及2启用第一或第二 反馈电路52、54。类似地，为耦合到非反相电压放大器22的电阻器26的开关56提供任选 控制。通过将控制信号3施加到开关56，电阻器26(具有值R2)可切换接入电路及断离电 路。如所属领域的技术人员将根据此说明认识到，省略电阻器26将把运算放大器的配置从 非反相电压放大器22的配置改变为非反相单位增益缓冲器。当输出信号Vin不需要放大 时，此配置是有用的。如在图3的论述中，如果需要可整体上省略第二级。在此实施例中的控制信号1、2及3是由微型计算机提供的，除了各种输入及输出 连接以外，所述微型计算机还包含随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、保持激活存 储器(KAM)、中央处理单元(CPU)等。举例来说，在下文关于图5所述的应用中，所述微型计 算机运行软件程序以执行所述测试，包含由用户呈现设置菜单，其包含例如相依于电容组 件的大小的预期泄漏电流及对应满刻度电压等信息。作为对此菜单的响应，微型计算机可通过提供到FPGA 50及开关56的控制信号1、2及3来编程增益。当然，FPGA 50的功能可 由一个或一个以上硬件组件来实施。可使用任何数目个固态开关来实施开关56。在电路拓扑中具有可编程增益允许含有所述电路的任何仪表具有大的动态范 围。举例来说，测量能力可在介于+/-ImA之间的泄漏电流值的范围内，其中分辨率下至 +/-200pA。当需要此类精确测量时，仅使用Rf、R3及R2的固定值难以实现此任务。将此 范围细分成多个区使得所述任务对于所涉及的硬件来说较容易。在这些范围内，Rf、R3及 R2的欧姆值可通过如上文所述界定每一范围的满刻度电压及第二级的增益值来指定。当仪 器需要大的动态范围时，可按期望编程电流感测放大器12的Rf的欧姆值及放大器22的增 益。接着，不相依于范围，如果到所述电路的输入电流足够大以在电流感测放大器12处引 起过载，则朝向齐纳二极管28导通电压驱动放大器22的输出。一旦达到所述电压，则反馈 网络激活，从而辅助所述电路比放大器12或22通过自身可实现的速度快得多地返回到其 线性范围且一旦电流感测放大器12的输出电压与放大器22的增益的乘积低于齐纳二极管 导通电压则关断。所述电路回到其线性范围中。如所提及，当预期泄漏电流值范围时，细分所述范围且基于每一范围控制可编程 增益为所期望的。以下表提供泄漏电流的四个不同范围的值作为本发明的可编程增益教示 的应用的实例。
权利要求
一种用于测量电容组件的泄漏电流的设备，所述设备包含至少一个运算放大器，所述设备包括第一级放大器，其经配置以在反相输入处从串联连接的电容组件接收输入；及反馈电阻器，其位于所述第一级放大器的反馈路径中，所述反馈电阻器的电阻值相依于所述泄漏电流的预期值及所述第一级放大器的对应满刻度电压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述反馈电阻器是可编程的，所述设备进一步包括用于将所述反馈电阻器的所述电阻值编程到多个值中的一者的构件。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其进一步包括第二级放大器，其耦合到所述第一级放大器的输出，所述第二级放大器包含可编程增
4.根据权利要求3所述的设备，其进一步包括用于将所述可编程增益从单位增益切换到大于单位增益的值的构件。
5.根据权利要求3所述的设备，其中所述第一级放大器的所述输出耦合到所述第二级 放大器的非反相输入。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二级放大器包含可编程增益，改进进一步 包括开关，其经配置以将所述可编程增益从单位增益切换到大于单位增益的值。
7.根据权利要求6所述的设备，其进一步包括反馈路径，其从所述第二级放大器的输出到所述第一级放大器的所述反相输入处的求 和点。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述反馈路径包括用于防止电流从所述第二级放大器的输出到所述第一级放大器的所述反相输入处的 所述求和点的流动直到所述第二级的所述输出超过所界定范围的值为止的构件；及用于限制电流在从所述求和点到所述第二级放大器的所述输出的方向上流动的构件。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述所界定的范围包含大于所述第二级放大器的 饱和电压的值。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述反馈路径包括 背对背齐纳二极管，其耦合到所述第二级放大器的所述输出；缓冲器放大器，其包含耦合到所述背对背齐纳二极管的非反相输入；及 背对背信号二极管，其耦合到所述缓冲器放大器的输出且耦合到所述第一级放大器的 所述反相输入的所述求和点。
11.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括反馈路径，其从所述第一级放大器的输出到所述第一级放大器的所述反相输入，所述 反馈路径经配置以在所述第一级放大器的输出值指示所述第一级放大器的饱和时减小去 往所述反相输入的输入。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其进一步包括 第二级放大器，其耦合到所述第一级放大器的输出；及反馈路径，其从所述第二级放大器的输出到所述第一级放大器的所述反相输入，所述反馈路径经配置以在所述第二级放大器的输出值指示所述第二级放大器的饱和时减小去 往所述反相输入的输入。
13.根据权利要求12所述的设备，其进一步包括可编程装置，其经配置以相依于所述泄漏电流的所述预期值及所述第一级放大器的所 述对应满刻度电压而将所述可编程反馈电阻器从第一值切换到第二值。
14.根据权利要求12所述的设备，其进一步包括二极管箝位电路，其耦合到所述第一级放大器的所述反相输入。
15.根据权利要求12所述的设备，其进一步包括 电流源，其耦合到所述串联连接的电容组件。
全文摘要
本发明教示用于测量电容组件的泄漏电流的设备的实施例。一个实施例包含经配置以在反相输入处从串联连接的电容组件接收输入的第一级放大器及位于所述第一级放大器的反馈路径中的反馈电阻器。所述反馈电阻器的电阻值可基于所述泄漏电流的预期值及对应电压输出来编程。
文档编号G01R19/00GK101981459SQ200980111212
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月13日 优先权日2008年3月31日
发明者布兰登·麦柯里, 布赖恩·约翰森 申请人:电子科学工业有限公司