[發明專利]一種大動態范圍和低頻噪聲測量系統

在審

• 申請號: 202210142716.X
• 申請日: 2022-02-16
• 公開（公告）號: CN114578146A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 萬景;徐壯壯
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01R29/26
• 分類號: G01R29/26;G01R31/28
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明公開了一種大動態范圍和低頻噪聲測量系統。本發明系統包括樹莓派PICO單片機、電源模塊、信號輸出模塊、信號傳輸端口、電流測量模塊、電壓測量模塊、噪聲測量模塊和A/D模塊，這些模塊通過針插式的方式連接在自行設計的雙層PCB板上；樹莓派PICO單片機向信號輸出模塊發送數字信號，獲取并處理A/D模塊轉換得到的數字信號；信號輸出模塊輸出滿足測量需求的電壓信號；電流測量模塊測量待測器件的低邊和高邊電流；電壓測量模塊測量待測器件的電壓并實現電壓放大模塊的自動調零；A/D模塊獲取電信號并將其轉換為數字信號，發送給單片機。本發明系統硬件連接簡單、動態范圍大、測量功能豐富、測量速度快、測量精度高。

技術領域

本發明屬于集成電路測試技術領域，具體涉及一種大動態范圍和低頻噪聲測量系統。

背景技術

在半導體器件測試場景中，需要對其電壓、電流和噪聲等電學參數進行快速、高精度測量。但半導體器件的漏電流一般很低，低至皮安級；電流也會在短時間內變化很大的動態范圍，跨越數個數量級。這些特性都要求在瞬態條件下對半導體器件的電學參數在很大的動態范圍內進行高精度測量。而噪聲作為半導體器件的重要指標，也需要對其進行測量，用于判斷器件的質量和可靠性。

為了實現大動態范圍高精度測量，現有的方法一般有三種：

第一種方法是使用ADC進行多次測量后進行信號處理，這種方法在一定條件下可以獲得較高的精度，但只適合測量時間要求不高的場合。

第二種方法是采用高精度高分辨率的高速ADC測量后再進行信號處理，但高速高分辨率ADC的成本很高，對前置電路和整體電路環境的要求也很高，并且在信號輸入較小時，噪聲干擾很大。

第三種方法是采用量程切換，即對不同幅值的信號采用不同的量程，把信號幅值放大到適合ADC的輸入要求，測量系統先預測輸入信號的大小，再根據預測值選擇合適的量程。現有的量程切換一般采用CPU控制，在多通道測量的情況下耗時較長。

另外，現有的半導體測量儀，一般不包括噪聲測量功能。如果需要加入諸如1/f噪聲測量的功能，成本會大幅增加。

發明內容

本發明的目的在于，針對現有技術的上述缺點，提供了一種硬件連接簡單、測量功能豐富、測量速度快、測量精度高的大動態范圍和低頻噪聲測量系統。

本發明提供的大動態范圍和低頻噪聲測量系統，包括：樹莓派PICO單片機、電源模塊、信號輸出模塊、信號傳輸端口、電流測量模塊、電壓測量模塊、噪聲測量模塊和A/D模塊；這些模塊通過針插式的方式連接在雙層PCB板上；其中：

所述樹莓派PICO單片機，用于向所述信號輸出模塊發送數字信號，獲取并處理A/D模塊轉換得到的數字信號；

所述電源模塊，用于提供±5V和±12V穩定直流電源；

所述信號輸出模塊，用于輸出滿足測量需求的電壓信號；

所述信號傳輸端口，為同軸電纜（BNC）接口，用于系統和待測器件間的信號傳輸；

所述電流測量模塊，包括低邊電流測量和高邊電流測量兩個模塊，分別用于測量待測器件的低邊和高邊電流；

所述電壓測量模塊，用于測量待測器件的電壓并實現電壓放大模塊的自動調零；

所述噪聲測量模塊，用于測量待測器件的低頻噪聲；

所述A/D模塊，用于獲取電信號并將其轉換為數字信號，發送給單片機。

進一步地：

所述電源模塊包括：鋰電池，LM78/79穩壓芯片，ref5045穩壓模塊，MS05常開型干簧繼電器；其中：

所述鋰電池，用于提供±7.4V和±14.8V直流電源輸出，降低電路噪聲干擾；

所述LM78/79穩壓芯片，用于將鋰電池提供的直流電源輸出轉換為穩定的±5V和±12V直流電源輸出；

所述ref5045穩壓模塊，用于穩定輸出4.5V電壓，保證信號輸出模塊輸入的準確與穩定；