一种采用跨导分流结构实现直流阻抗测量的电路的制作方法

[0001]
本实用新型涉及测试领域，尤其涉及一种采用跨导分流结构实现直流阻抗测量的电路。


背景技术：

[0002]
普通绝缘材料的阻抗越高，其电压耐受力也会越高，所以测量一般都会使用高压仪表（0～kv）去测量，如兆欧表等。但测量低耐压（＜2v，甚至更低）、高阻抗的材料时，这种高压测试方法就不能正常应用了，因为在低电压测量时，被测材料或器件本身存在非线性，导致这种方法不适合静电计等使用。而低电压下影响测量精度的另一些主要因素包括：
[0003]
1.电阻本身噪声的影响尤为突出；
[0004]
2.激励源自身噪声；
[0005]
3.emi（电磁干扰）的影响；
[0006]
4.测试网络的漏电流、漏电压。
[0007]
目前在测量＞1g欧姆的电阻时，基本都是采用静电计、smu、皮安计+电压源、高阻计等一起进行测量。静电计的测量方式需要配置电压源或电流源，所以高阻的精密测试都是使用外接一台电压源（源表）加静电计或是皮安计的方法实现，从而获得测量电压或电流，使用欧姆定律最终计算出阻值，如图1和图2所示。使用源表和静电计的仪表测试方法，可以直接获得测试值。如图1、图2 所示为通用的静电计(静电电压表)、高阻计仪器仪表实现的高电阻测量，它们的特点是静电计(静电电压表)和激励源(电压源或电流源)是分开的两部分。另外市面上较为流行的高阻测量仪器，如型号为b2985a等仪器设备，将源表和静电计综合在一台仪器中，然后通过仪表专用配套适配器连接测量高阻，直接可以在仪表面板上读取测试值，不用再另外计算。
[0008]
另外一种方法是使用普通数字万用表通过读取电压的方式计算高阻，其原理如图3所示。图3所示为使用一个外部电流源向被测器件提供恒流，然后通过一个运放作为缓冲器，其中v1≈v0，从而实现较低成本的普通数字万用表就可以测量rx的高阻。
[0009]
此外，还可以内置集成激励源（电压源或电流源）和缓冲器组成测量电路来进行高阻测量。目前很多测试仪器板卡的电路测量技术，使用电路板自身的电流源，再使用运放作为输入信号的缓冲器，如图4和图5所示。图4是带内置电流源的静电计高阻测量的简易原理图，图5是带保护欧姆式的静电计高阻测量的简易原理图。
[0010]
图4、5中的被测电阻计算公式如下：
[0011]
r
x
=v1/(v
s
×
r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（表达式1）
[0012]
r
x
=v1/i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（表达式2）
[0013]
以上述及的图1、图2、图3所示的测试方法是通过仪器仪表的配合来实现高阻的测量。图4、图5完全是自主电路仪器板卡的测量方法。但其测量精度均非常受限于测试系统内运放本身的电参性能。


技术实现要素：

[0014]
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、测量精度高且不受被测器件或材料本身低耐压及测量系统因素影响的采用跨导分流结构实现直流阻抗测量的电路。
[0015]
本实用新型所述采用跨导分流结构实现直流阻抗测量的电路所采用的技术方案是：该电路包括恒定电压源、运算放大器、差分放大器、测量电阻及滤波电容，待测产品并联在所述滤波电容的两端且一端共地，所述测量电阻的一端与所述滤波电容的一端连接，所述测量电阻的另一端与所述运算放大器的输出端连接，所述运算放大器的输出端还与所述差分放大器的负输入极连接，所述运算放大器的正输入极与所述差分放大器的正输入极连接，在所述滤波电容与所述测量电阻的连接点之间设置有保护环与所述运算放大器的负输入极相连接，所述恒定电压源加载在所述运算放大器的正输入极与地之间，在所述差分放大器的输出端获取差分输出电压v0。
[0016]
进一步地，所述滤波电容和被测产品外围设置有emi屏蔽盒。
[0017]
上述方案可见，通过设定一个恒定测量电压v
ref
，该恒定测量电压v
ref 与被测产品两端的压降v1相等，被测产品两端的电压将为定值，流过测量电阻的电流i
rs
=i+i
op
，i是流经待测产品的电流，i
op
是所述运算放器的偏置电流，偏置电流i
op
足够小到忽略不计，得到i=i
rs
，此时，所述运算放器等效成为分流器，待测产品的阻值变化引起所述运算放器的正输入极与输出极之间的电压v
ab
的电平变化，再通过所述差分放大器差分取样获得差分输出电压值v0的变化，利用电压与电流关系即可得到待测产品的阻值，然后通过阻抗计算公式即可得到直流阻抗，同样地，通过测量在正向电流、负向电流和零电位电流情况下的阻抗值，即可得到不同电流状态下的阻抗，故通过该电路能够快速地得到直流阻抗，且其电路结构简单，通过运算放大器和差分放大器的配合，能够保证测量的高精度，此外，通过保护环的设置，使该处受保护的电位和测量信号源的电位相等，从而避免了电荷的爬行泄漏，防止了阻抗测量回路以外的静电电荷流入阻抗测量回路或受到回路附近电极材料的压电效应影响，使得低压高阻测量不受待测产品或材料本身低耐压及测量系统因素的影响，极大地保证了测量精度。
[0018]
此外，通过emi屏蔽盒的设置，进一步地屏蔽了测量回路附近的电磁效应影响，保证了测量的质量。
附图说明
[0019]
图1是现有技术中采用静电计和外部电压源进行高阻测量的简易原理图；
[0020]
图2是现有技术中采用静电计和外部电流源进行高阻测量的简易原理图；
[0021]
图3是是现有技术中使用真实电流源和数字多用表的高阻测量的简易原理图；
[0022]
图4是现有技术中带内置电流源的静电计高阻测量的简易原理图；
[0023]
图5是现有技术中带保护欧姆式的静电计高阻测量的简易原理图；
[0024]
图6是本实用新型电路的简易原理图；
[0025]
图7是图6所示电路原理图的等效电路图。
具体实施方式
[0026]
如图6和图7所示，本实用新型所述电路包括恒定电压源、运算放大器op1、差分放大器op2、测量电阻rs及滤波电容cx，待测产品rx并联在所述滤波电容cx的两端且一端共地，所述测量电阻rs的一端与所述滤波电容cx的一端连接，所述测量电阻rs的另一端与所述运算放大器op1的输出端连接，所述运算放大器op1的输出端还与所述差分放大器op2的负输入极连接，所述运算放大器op1的正输入极与所述差分放大器op2的正输入极连接，在所述滤波电容cx与所述测量电阻rs的连接点之间设置有保护环a与所述运算放大器op1的负输入极相连接，所述恒定电压源加载在所述运算放大器op1的正输入极与地之间，在所述差分放大器op2的输出端获取差分输出电压v0。所述滤波电容cx和被测产品外围设置有emi屏蔽盒b。
[0027]
在本实施例中，所述运算放大器op1要求满足如下参数设置：（1）低输入偏置电流：
±
20fa（最大值，
−
40
°
c<ta<+85
°
c）；（2）低电压噪声密度：14nv/√hz(10 khz)；（3）内保护环缓冲器：具有100μv最大失调；（4）失调电压：50uv；（5）电源电压：
±
2.25v至
±
8v；（6）宽带宽：2mhz单位增益交越。
[0028]
所述测量电阻rs的关键参数要求如表1所示。
[0029][0030]
在测量过程中，电阻rs上的电流噪声密度和带宽之间的关系如下表2所示，务必使用高质量电阻。许多针对高压工作而设计的高值电阻在低压时是非线性的，不适合于静电计使用。若电阻质量低劣不符合要求，其自身的1/f噪声可能会影响到测试精度，最终破坏测量的结果。
[0031][0032]
利用上述电路进行阻抗测量的方法包括如下步骤：
[0033]
（1）计算被测产品电阻：设定一个恒定测量电压v
ref
，该恒定测量电压v
ref 与被测产品两端的压降v1相等，待测产品rx两端的电压将为定值，流过测量电阻rs的电流i
rs
=i+i
op
，i是流经待测产品rx的电流，i
op
是所述运算放器op1的偏置电流，偏置电流i
op
足够小到忽略不计，得到i=i
rs
，此时，所述运算放器op1等效成为分流器，待测产品rx的阻值变化引起所述运算放器op1的正输入极与输出极之间的电压v
ab
的电平变化，再通过所述差分放大器op2差分取样获得差分输出电压值v0的变化，此时，v
ab
=v
o
，由此推出rx的测量值为i=i
rs
=v0/r
s
，r
x
=v1/i。
[0034]
（2）计算在恒定测量电压v
ref
分别三次设置为正电压、负电压和0v电压状态下的阻抗：在本实施例中，恒定测量电压v
ref
的电平值可以通过dac数模转换芯片根据实际测量范围来设定电压值的大小。设定正电压和负电压的范围在-2v～+2v范围内。此时，设定在正电压和负电压状态下的恒定测量电压v
ref
的绝对值相等，即|+v
ref
|=|
-ꢀ
v
ref
|，并设定正负电压绝对值误差＜0.05%，电压设定精度高于0.1%，正负信号源输出阻抗一致。定义在正电压、负电压和0v电压状态下的阻抗分别为x
r_p
、x
r_n
、x
r_0
，设定
[0035]
恒定测量电压v
ref 为正电压时，表达式为v
ref_p1v
，v0的表达式v
o_p1v
，
[0036]
恒定测量电压v
ref 为负电压时，表达式为v
ref_n1v
，v0的表达式v
o_n1v
，
[0037]
恒定测量电压v
ref 为0v电压时，表达式为v
ref_0v
，v0的表达式v
o_0v
，
[0038]
且设定所述运算放器op1和所述差分放大器op2的供电采用互补对称的正负电源轨，根据直流阻抗计算公式
[0039]
,得
[0040]
正向电流阻抗为，
[0041]
负向电流阻抗为，
[0042]
零电位电流阻抗为。
[0043]
（3）将正向电流阻抗值、负向电流阻抗值和零电位电流阻抗值求均值，得到直流阻抗x
r
为，其中n为阻抗数值读取次数。
[0044]
当被测产品对反向电压或电流敏感时，则直流阻抗x
r
为x
r
=x
r_p
。当被测产品对正向电压或电流敏感时，则直流阻抗x
r
为x
r
=x
r_n
。
[0045]
由本实用新型方法的计算过程可知，影响直流阻抗的因素只与回路中设置的测量电阻以及差分输出电压值和恒定测量电压的大小有关，而与待测产品的阻值无关，从而使得测量结果不会因为待测产品本身存在低电压测量时出现的非线性而出现误差，很好地保证了测量的精度。