多级电流测量架构制造技术

一种测试和测量仪器包括电流测量设备，电流测量设备具有：输入，用于接受用于测量的电流；输出，用于传递从电流测量设备输出的输出电流；感测路径，通过该感测路径的电流被测量；以及有源旁路设备，用于将一定量的电流在不穿过所述感测路径的情况下从电流测量设备的输入传递到电流测量设备的输出。可以将有源旁路设备调整为允许电流感测设备在目标电流值的特定范围内在不进行旁路的情况下进行操作。一些电流测量设备可以包括多于一个有源旁路电路，每个有源旁路电路针对输入电流值的不同范围被调整。

Multistage current measurement architecture

【技术实现步骤摘要】
多级电流测量架构优先权本公开要求于2018年11月9日提交的标题为“MULTI-STAGECURRENTPROBEARCHITECTUREFORHIGH-SPEEDHIGH-PRECISIONANDHIGH-DYNAMIC-RANGECURRENTMEASUREMENT”的美国临时申请号62/757,979的权益，该申请通过引用整体并入本文。
该主题涉及用于电子设备的高速电流测量的设备和方法。
技术介绍
在许多行业中，测量、表征和理解设备的电流消耗是重要的设计步骤。例如，测量供电网络（PDN）中的电流需要高带宽电流测量。一些设备（诸如，物联网（IOT）设备）会在不同的操作状态之间快速循环，这些操作状态在电流汲取方面具有许多数量级差异。这些设备的电流汲取由被活动脉冲打断的低电流汲取时段标记，在打断处电流汲取可以短暂增加到约1,000,000倍。例如，有源监听设备在它等待唤醒词时汲取相对较低的电流。一旦检测到唤醒词，该设备就捕获跟随该唤醒词的环境声音信号，将他们转换为电信号，然后将该信号传输到通信网络（诸如云网络）上的控制设备。在监听设备通过云网络接收到适当的命令之后，监听设备执行由控制设备向它指挥的动作。尽管唤醒词检测是在监听设备上以相对较低的电流汲取发生，但是在被唤醒之后，监听设备会快速切换到高电流模式以执行其余的动作。在执行最后的动作后，监听设备在它等待另一个唤醒词时重新进入低电流模式。其他设备具有多个电流模式。对于制造商、维修店和其他机构而言，重要的是能够测量在所有模式下（即在设备快速切换其电源需求时）各种设备汲取的电流。如果在测量低水平电流时使用大电阻值分流电阻器作为电流测量设备，则在高电流脉冲时间期间可能出现大负荷电压。之所以发生这种负荷电压，是因为在高电流脉冲期间一部分高电流通过大分流电阻器被汲取。因此，除非电源是可以非常快速地改变输出水平的非常大的电源，否则供应给所附接的设备的电压会通过大分流电阻器迅速下降。该电压下降可能如此严重，以至于所供应的电压下降到所连接的设备的最小操作电压以下，这可能导致该设备关闭或停机。如果使用小电阻值分流电阻器作为电流测量设备，则负荷电压可以保持得较小，但是，低电流汲取时段的细节可能会丢失在测量系统的本底噪声中。钳位式测试和测量探测器可以允许非常高的带宽测量，而对被测试电路造成的负荷很小。但是钳位式探测器的本底噪声和DC准确度可能是有限的。例如，最小的可分辨电流可能不足以完全表征当今许多设计。所公开的技术的实施例解决了现有技术中的缺点。附图说明图1A是图示根据实施例的在线电流测量器连同典型的连接设备的电路框图。图1B是图示根据实施例的在线电流测量器连同其他类型的典型连接设备的电路框图。图2是使用诸如分流电阻器之类的感测元件的电流测量设备的电路图。图3是根据实施例的使用感测元件和有源钳位器的电流测量设备的电路图。图4是根据实施例的使用感测元件、有源钳位器和旁路电容器的电流测量设备的电路图。图5是根据实施例的使用多个感测元件、有源钳位器和旁路电容器的电流测量设备的电路图。图6是根据实施例的使用多个感测元件、多个有源钳位器和多个旁路电容器的电流测量设备的电路图。图7是根据实施例的使用多个感测元件、多个有源钳位器和多个旁路电容器的电流测量设备的电路图。图8是根据实施例的使用感测元件、有源钳位器和有源分流器的电流测量设备的电路图。图9是根据实施例的使用感测元件、多个有源钳位器和多个有源分流器的电流测量设备的电路图。图10是根据实施例的使用感测元件的电流测量设备的输出的图形，在其上标记了各个操作区域。具体实施方式如本文所述，各实施例涉及用于电子设备的高速电流测量的电路和方法。所公开的技术的实施例可以在比现有解决方案更大的范围上并且以比现有解决方案更高分辨率提供电流测量能力，而不牺牲负荷电压或带宽。图1A是图示在线电流测量设备50的电路框图。电流测量设备50从诸如电源46之类的设备接收输入电流。电流测量设备50还向诸如正被测试的设备或被测设备（DUT）48之类的设备发送电流。因为电流测量设备50是从电源46到DUT48的电流供应路径的一部分，因此有时诸如电流测量设备50之类的设备被称为在线电流测量设备，但是并非本专利技术的所有实施例都限于在线设备。在操作中，电流测量设备50测量由电源46提供给DUT48的电流量。电流测量结果可以被提供为模拟电压，图1中被图示为Vo。电流测量结果也可以通过数字化器52（诸如模数转换器（ADC）或其他合适的设备）被数字化。在这样的实施例中，输出是数字输出，其值对应于由电流测量设备50测量的电流。图1B类似于图1A，除了所连接的电源是远程感测电源47，诸如可从吉时利仪器公司（KeithleyInstruments）得到的2280S系列电源。在该示例中，电源47试图通过改变ForceHI和ForceLO（即，接地）引线之间的电压来控制在SenseHI和SenseLO引线之间测量的电压。远程感测电源通常将用户限制到ForceHI和ForceLO线之间的1伏下降，以维持系统操作，否则连接的DUT49可能会实现输入电压下降并关闭。在许多情况下，由于负荷电压加ForceHI引线两端的任何电压下降相对较高，先前的在线电流测量设备超过1伏下降。相反，如下所述，本专利技术的实施例可以被配置为限制负荷电压。限制负荷电压有助于防止供应给DUT49的功率中的电压下降如此之大，并且因此确保测试期间DUT的持续操作。图2是示出使用感测元件101的电流测量方法的电路图。图1中描绘的简单电流测量方法使用感测元件101从输入电流（I）产生电压（Vo）。感测元件101可以是具有针对电流测量的特定范围选择的大小的电阻元件。负荷电压以I*R给出，这意味着，由于在切换期间大的电压下降（如上所述），电流的大幅增加可能会导致具有固定电源的系统的失灵状况。图3是图示根据实施例的使用感测元件101和有源钳位器102的用于电流测量的方法和设备的电路框图。感测元件101和有源钳位器102的组合是可以存在于图1的电流测量设备50中的电路部件的示例。有源钳位器102基于来自感测元件101的信号把电流从感测元件101分流出去，从而限制电压。该有源钳位器102可以用于限制感测元件101中的功耗和/或限制由系统产生的负荷电压。有源钳位器102可以包括感测电路，用于给出处于任何期望电压水平的双极电压钳位，这意味着，当有源钳位器102的感测电路检测到具有量值足以接通有源钳位器的正电压或负电压时有源钳位器102执行钳位动作，如下所述。当电压处于期望限制内时有源钳位器102可以被禁用并且因此不分流任何电流。此外，该钳位器可以被配置为其有源电路具有有限的增益。这给出了“更软”的钳位器，该钳位器可以以高得多的速度线性地操作，并避免了由于电路中的非线性设备切换而引起错误。在一个实施例中，有源钳位器102包括并联耦合的一对n型金属氧化物半导体（NMOS）本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种包括电流测量设备的测试和测量仪器，所述电流测量设备包括：/n输入，被构造为接受用于测量的电流；/n输出，被构造为传递从电流测量设备输出的输出电流；/n用于电流的感测路径，具有感测元件，所述感测元件被构造为感测在输入处接收的电流量；以及/n有源旁路设备，被构造为将一定量的电流在不穿过所述感测路径的情况下从电流测量设备的输入传递至电流测量设备的输出。/n

【技术特征摘要】
20181109 US 62/757979;20191108 US 16/6789411.一种包括电流测量设备的测试和测量仪器，所述电流测量设备包括：
输入，被构造为接受用于测量的电流；
输出，被构造为传递从电流测量设备输出的输出电流；
用于电流的感测路径，具有感测元件，所述感测元件被构造为感测在输入处接收的电流量；以及
有源旁路设备，被构造为将一定量的电流在不穿过所述感测路径的情况下从电流测量设备的输入传递至电流测量设备的输出。


2.根据权利要求1所述的测试和测量仪器，其中，所述有源旁路设备是钳位电路。


3.根据权利要求2所述的测试和测量仪器，其中，所述有源旁路设备包括：
可控分流设备，具有耦合至所述感测元件的输出的控制输入。


4.根据权利要求3所述的测试和测量仪器，其中，所述可控分流设备包括一个或多个MOS晶体管。


5.根据权利要求1所述的测试和测量仪器，其中，所述有源旁路设备包括电压感测设备，所述电压感测设备被构造为感测所述感测元件的输出处的电压并根据其生成输出电压。


6.根据权利要求5所述的测试和测量仪器，其中所述电压感测设备包括正电压感测设备和负电压感测设备，并且其中所述电压感测设备的所述输出电压被构造为基于在所述感测元件的输出处感测到的电压的量值仅生成正电压。


7.根据权利要求1所述的测试和测量仪器，还包括与所述有源旁路设备并联耦合的电容器，并且其中基于所述感测元件和有源旁路设备的电特性来选择所述电容器的值。


8.根据权利要求7所述的测试和测量仪器，其中，所述感测元件、所述有源旁路设备和所述电容器被配置成为被调整到输入电流值的第一范围的第一感测系统，并且还包括第二感测系统，第二感测系统被调整到输入电流值的第二范围，第一范围不同于第二范围。

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【专利技术属性】
技术研发人员：MD齐默曼，WC格克，MJ赖斯，
申请(专利权)人：基思利仪器有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US