工程师经验谈：如何测量高精度直流电压?

一位同事曾经问道，“测试中我该如何测量微伏电压?”高精度直流电压测量可能十分复杂。测量过程中，时间就是金钱。因此，实现快速准确的测量一直是一项挑战。

传统的优化技术采用了高精度放大器电路和速度更快的测量装置。要在最短的时间内实现最佳测量，上述二者仍然是必要条件，但尚不足够。稳定延迟时间和信号噪声之间的逆反关系取决于测量装置驱动电路的等效噪声带宽。被测器件(DUT)和测量仪器定义了系统特性，把稳定延迟时间和宽带噪声紧密联系在了一起。

如果电路带宽为零，噪声也将为零，我们可能利用一个样本来进行测量，但电路将永不会稳定，直流误差将达100%。因而，过低的带宽将造成测量时间过长。另一方面，如果电路的带宽无穷大，稳定延迟时间将为零，不过宽带噪声也将是无穷大，这样我们就缺乏足够的测量值来进行平均。于是，放大器速度越快，高精度下电压测量所需的时间实际上可能反而越长。

让我们来探讨一下这种关系。在测试序列中，DUT的输出必须在一个电压阶跃之后稳定在预定义的误差范围内。假设是单极阶跃响应，稳定时间将直接取决于带宽的大小。

每一次电压测量都包含有DUT、放大器和电阻产生的宽带噪声。放大器产生电压电流噪声;电阻产生Johnson噪声。由于滤波器的滚降特性不是无限陡峭的，在–3dB截止值之后的区域，噪声变得不太重要。有效噪声带宽把这一区域的噪声也考虑在内了。

若定宽带噪声和有效噪声带宽一定，则所需的样本数量由测量容许误差决定。基本统计给出了噪声数量一定时，要获得98%的置信水平所需要的平均样本数量。平均值的这种偏差反映了单直流电压测量的可重复性。实现高分辨率测量的问题很多，本文无法面面俱到。下面我们将讨论解决总体问题的重要性。

稳定延迟时间。如果电路中的某个元件存在稳定时间问题，就会增加了总体的测量时间。压摆率有限是常见的原因。一般总是采用小信号稳定时间来计算。电介质吸收是一个有害问题，故需谨慎选择滤波器电容。

稳定目标。这些目标值的设定很容易过于偏小，如0.0001%，结果引起测量时间的动态增加。由于目标受步进大小影响，在步进大小为测量动态范围的一小部分时，应采用较大的目标。可能需要对不同的测量序列分别设置带宽。

误差电压。对所有测量值来说，容许误差电压往往设置得太小。统计数据表明，若使用若1.6的Student T表值，98%的时间内测量偏差将在容许误差范围内。

电压参考。这可能引入噪声。在D/A转换器的情况中，这些噪声可能与代码有关。

宽带噪声。使用高质频谱分析仪直接测量电路的宽带噪声。典型电路噪声源数量相同的情况下，用纸张进行精确计算是相当冗长乏味的，且容易出错。

测量精度和分辨率。测试工程实践一般要求测量装置的分辨率数量级大于容许误差，但事实上总是假定测量装置的精度和分辨率远小于实际测量中的容许误差。

放大器。在信号链中使用低噪运算放大器。这是一个好办法，可使电阻值保持很低，但又没有低到因放大器产生电流驱动和热问题的程度。

测试成本的要求需要对传统的缓慢高精度测量进行优化。这种技术让我们得以把测量时间减至最短，节省了金钱，同时也是测试设计中的一次尝试。

半导体行业正处于20位直流电路生产的转折之际。接下来的问题是需要具有良好专业能力的测试工程师。